Modelling and simulation of the space mission MICROSCOPE

MICROSCOPE is a French space mission for testing the weak equivalence principle (WEP). The mission goal is the determination of the Eötvös parameter $\eta$ with an accuracy of 10^?15. The French space agency CNES is responsible for the satellite which is developed and produced within the Myriade series. The satellite's payload T-SAGE (Twin Space Accelerometer for Gravitation Experimentation) is developed and built by the French institute ONERA. It consists of two high-precision capacitive differential accelerometers. One accelerometer is used as reference sensor with two test masses of platinum, the science sensor contains a platinum and a titanium proof mass. The detection of the test mass movement and their control is done via a complex electrode system. As a member of the MICROSCOPE performance team, the German department ZARM will be involved in the data analysis of the MICROSCOPE mission. For this purpose, mission simulations and the preparation of the mission data evaluation in close cooperation with the French partners CNES, ONERA and OCA are realised. The development status of the simulation tool which will represent the complex spacecraft dynamics and all error sources in order to design and test data reduction procedures is presented and some features are discussed in detail.     

一种捷联惯导系统加速度计时间延迟参数标定方法

针对光学陀螺捷联惯导系统(SINS)中石英挠性加速度计相对光学陀螺仪低频输出相位特性不一致引起的时延问题，研究了一种加速度计时间延迟参数标定方法。在滚转角运动环境下，对影响导航速度的初始对准误差、加速度计测量误差和陀螺仪测量误差进行了详细分析，建立了各个误差源与导航速度误差的关系式；结合50型激光捷联惯导系统的精度指标和滚转轴“指北”条件，对导航速度误差方程进行优化，实现时间延迟参数的标定和补偿。通过数学仿真校验了标定方案的可行性，作为后续深入研究的基础。     

面向空间近距离操作的机械臂与服务卫星协同控制

针对航天器在轨服务任务中涉及的空间近距离操作需求,提出一种机械臂与服务卫星协同控制方法。首先建立了机械臂和服务卫星组合体动力学模型以及服务卫星和目标卫星相对位姿耦合动力学模型。然后采用全局终端滑模控制设计了机械臂轨迹跟踪控制方法,采用PD控制设计了服务卫星相对位姿耦合控制方法,并将机械臂反作用力和力矩作为前馈补偿叠加到服务卫星控制系统中,实现了两者的协同控制。最后通过数值仿真验证了控制方法的有效性。仿真结果表明,该方法能够满足空间近距离操作任务对机械臂和服务卫星的控制精度、稳定性和误差收敛时间的要求,具有工程实用性。     

中长期轨道预报中大气阻力系数补偿算法的研究

利用地磁平静期的CHAMP卫星精密星历对多个弧段的大气阻力系数进行解算,找到了适用于轨道预报的最优系数,分析了最优阻力系数与地磁指数、迹向残差的关系,利用线性回归分析建立了大气阻力系数补偿算法。针对中长期轨道预报的需求,该算法能够降低定轨弧段较短条件下阻力系数的解算误差。将该补偿算法应用于不同时期CHAMP卫星和天宫一号的轨道预报,验证了该算法的正确性和普遍适用性,结果表明预报精度能够提高20%以上。     

光学遥感卫星总体参数优化设计概念研究

结合传统卫星总体设计和现代优化设计方法 ,提出卫星总体优化设计流程。首先明确任务目标和任务要求 ,然后用模糊多目标优选方法进行总体方案类型优选 ,最后确定了卫星总体参数优化设计的设计变量、约束条件和目标函数 ,并且建立起成本、性能、费效比、可靠性和多目标的优化模型。最后 ,对四个单目标优化和多目标优化的结果进行了比较     

惯导平台误差快速自标定方法研究

针对惯导平台误差系数标定问题提出了一种平台连续旋转条件下的误差系数自主标定方法.建立了基于框架角动力学方程的平台连续翻滚模型,平台旋转时,系统的框架角和加速度计输出包含了陀螺仪、加速度计的全部误差.利用李导数及输出灵敏度理论全面分析了连续翻滚路径下惯导系统的可观测性.提出了一种结合传统多位置试验的平台连续翻滚自标定方案.仿真结果表明该方案可以在较短的时间内完成平台系统误差系数的高精度标定.     

An innovative concept for the AsteroidFinder/SSB focal plane assembly

This paper gives a summary on the system concept and design of the focal plane assembly of AsteroidFinder/SSB, a small satellite mission which is currently under development at the German Aerospace Center (DLR). An athermal design concept has been developed in accordance to the requirements of the instrument and spacecraft. Key aspects leading to this approach have been a trade-off study of the mechanical telescope interface, the definition of electrical and thermal interfaces and a material selection which minimizes thermally induced stresses. As a novelty, the structure will be manufactured from a machinable AlN–BN composite ceramic. To enable rapid design iterations and development, an integrated modeling approach has been used to conduct a thermo-mechanical analysis of the proposed concept in order to proof its feasibility. The steady-state temperature distribution for various load cases and the resulting stress and strain within the assembly have both been computed using a finite element simulation.     

The PRISMA payload optomechanical design, a high performance instrument for a new hyperspectral mission

PRISMA (PRecursore IperSpettrale della Missione Applicativa) hyperspectral instrument is an advanced hyperspectral sensor including a panchromatic camera at medium resolution. The instrument is the focus of the new Earth observation mission that a consortium of Italian companies has started developing under contract of Italian Space Agency. Key features of the instrument are the very high requirement for signal-to-noise and the high quality of data that have to be provided. To meet these demanding figures the optical system has been based on a high transmittance optical system, including a single mirror telescope and two prism spectrometers based on an innovative concept to minimize number of optical elements, while high performance detectors have been chosen for the photon detection. To provide the required data quality for the entire mission lifetime an accurate calibration unit (radiometric and spectral) will be included in the instrument optomechanical assembly. The thermo-mechanical design of the instrument is based on innovative concepts, considering that the use of prism spectrometers implies a tight control of temperature variations to guarantee the stability of all instrument features once in orbit. The presented paper describes the concepts and design principle of the optomechanical assembly of the instrument, at the present status of development.     

高精度惯性平台连续自标定自对准技术

提出了一种新的惯导误差系数标定方法——连续自标定自对准方法。利用外部参考力矩驱动平台按照一定角速度旋转，在平台加矩角速度、地球自转角速度和重力加速度的影响下，惯导平台的加速度表输出包含陀螺误差系数、加速度表误差系数、平台对准误差以及陀螺和加速度表的安装误差等全部误差信息，并由此得到平台失准角动态方程与加速度表的输出方程。在设计的平台连续旋转轨迹下，使用迭代Kalman滤波获得了全部平台误差系数的精确估计。与传统的多位置翻滚标定方法相比，该方法标定时间短，标定精度高，系统误差参数估值具有良好的收敛性。     

卫星大型旋转载荷动平衡控制应用研究

卫星携带的转动体的动不平衡对星体产生非期望的干扰力矩,进而影响卫星姿态,为此在卫星高品质运动控制中必须对转动体的动平衡特性进行控制。本文在建立卫星多挠性体姿态动力学模型的同时,分析了动平衡检测在转动体残余干扰力矩分析中的应用,提出了大型旋转载荷动平衡控制方法和流程,最后通过实际工程应用情况,验证了该动平衡控制方法和流程的实用性和有效性。     

一种多标校源的高轨伴星时差频差定位算法

针对高轨伴星时差频差无源定位系统中卫星位置、速度、时差和频差等参数的测量系统误差严重影响定位精度的问题,提出了一种基于四个或四个以上已知位置的地面标校源的高斯-牛顿定位算法。该算法首先利用差分法消除星间时差、频差测量的系统误差,再利用标校源的时差频差测量方程组估计出主星和伴星的相对位置和相对速度误差,最后结合时差、频差、地球球面以确定非合作辐射源位置。理论和数字仿真均表明在时差和频差测量的随机误差较小时,本文算法的均方根误差（MSE）接近克拉美-罗下限(CRLB)。
     

通过超实时仿真验证轨控策略方法研究

"嫦娥一号"卫星任务中轨道复杂、轨控次数多,为保证每一次轨控的成功,需要考虑各种约束条件制定最优轨控策略,并能得以验证。本文提出通过超实时仿真验证轨控策略的方法,并以某次轨控为例,详细介绍了该方法的实施步骤。通过超实时仿真验证轨控策略可以评估轨控策略的准确性,并实现在任务执行过程中对轨控相关指令的检验。     

无陀螺系统构型安装误差标定及补偿方案分析

讨论了一种九加速度计构型安装误差的标定方法与补偿方法。根据九加速 度计无陀螺惯性系统的安装方式,设计了一种能标定九个加速度计共45项构型安装误差的标 定方法。针对九加速度计构型特点,给出了九加速度计导航误差的补偿方案,该方案能够用 一个反馈系统表示。理论分析与仿真计算表明,在给出的标定方案中,方向安装误差标定精 度较位置安装误差要高,而且转台角速度对位置安装误差的标定精度影响较大,对方向安装 误差影响很小;补偿方案实现方便,能够补偿85％以上的导航误差。
     

星座系统的信息网络设计

多星组网、编队飞行是小卫星应用领域的发展趋势。与之相适应,卫星信息系统正从单星向多星网络化发展,形成一个具有优化拓扑结构、完善通信协议和管理调度机制的统一天基信息网络系统,以实现对协同工作的多星系统的飞行任务管理。文章针对星座系统信息网络的技术特点、拓扑结构设计、网络模型设计、协议设计和一体化设计方法进行了论述,并从工程角度出发,分析了设计过程中应着重解决的关键技术问题。     

低成本动中通姿态估计算法

针对低成本微机电惯性测量单元无法满足宽带移动卫星通信系统姿态估计精度的问题,提出了以单基线GPS为辅助敏感器的改进型非线性观测器姿态估计算法。与经典观测器相比,改进算法利用观测器估计姿态代替加速度计估计姿态计算北向矢量的观测矢量,有效解决了加速度计精度与单基线GPS精度不匹配的问题。在单基线GPS不能正常工作的状态下,设计了状态判断开关,成功减少了载体机动加速度对估计结果的影响。试验结果表明：在单基线GPS一直正常工作的条件下,设计的改进非线性观测器的姿态估计精度达到±0.5°;在单基线GPS不能一直正常工作的情况下,在GPS可见弧段其姿态估计精度也达到±0.5°,均优于传统非线性观测器,满足低成本动中通要求。     

重力测量卫星KBR系统相位中心在轨标定算法

针对低低跟踪(SST-LL)重力测量卫星K频段测距(KBR)系统相位中心在轨标定问题,提出了一种应用预测卡尔曼滤波算法的KBR系统在轨标定算法。首先,以磁力矩器和姿态控制喷气发动机为执行部件,对一颗卫星施加一定的组合力矩,使其绕另一颗卫星进行周期性姿态机动;然后,将星敏感器数据代入预测卡尔曼滤波算法中估计出卫星姿态;最后,根据KBR系统观测值与卫星姿态角之间的关系,利用扩展卡尔曼滤波算法估计出KBR系统相位中心的位置。数值仿真结果表明:KBR系统相位中心可以被实时估计,当存在较大的卫星姿态动力学模型误差时,KBR系统相位中心的标定误差仍在0.3mrad以内,证明此算法估计精度较高且鲁棒性强。     

我国极轨气象卫星的发展

介绍了我国极轨气象卫星的现况。提出了由风云三号(FY-3)上午星、下午星和降水测量卫星组成的我国极轨气象卫星对地观测网构想,给出了三种卫星的主要仪器性能指标。讨论了多载荷综合观测,利用微波波段实现全天候探测,提高光谱分辨率,提高空间分辨率,提高仪器的灵敏度、定标精度,发展无线电(GPS)掩星探测,以及发展主动遥感等极轨气象卫星发展趋势。对我国极轨气象卫星的发展给出了气象卫星向对地综合观测发展、遥感探测技术向"四高两全一多"发展、探测方式向主动与被动结合方向发展、遥感应用向高精度定量化发展、发展专用卫星或小卫星阵列等建议。分析了转动部件与太阳阵耦合抑制、高指向精度高稳定度姿态控制、高数据率数据传输、颤振对高光谱成像质量的影响分析及减振、主动微波及可见、红外、紫外谱段高精度地面及在轨定标等实现我国极轨气象卫星发展的关键技术。     

Space experiments of deployable boom and umbrella test satellite (DEBUT)

This paper describes the results of the in-orbit performance testing of deployable and retractable umbrella and boom systems, which will be used as important subsystems of Boomerang/Tether satellites. The umbrella is one of the possible candidates of the aerodynamic braking system for boomerang satellite and the boom is also one of the possible candidates of relative position adjusting mechanism between center of mass and aerodynamic force center of the boomerang satellite and initial release/final recovery mechanism of the tethered satellite. For this technology verification, a small and inexpensive satellite, named DEBUT (Deployable Boom and Umbrella Test satellite), was developed in a short period of 1.5 years elapsing from the start of the detailed design until the launch of the mission. The lithium dry cell batteries were used as the primary power and functioned normally during 10 days mission lifetime.     

基于严格成像模型的卫星姿态角系统误差补偿

为消除卫星在轨运动过程中俯仰、偏航、滚动对遥感影像地面定位的影响,建立了卫星姿态角系统误差补偿模型,即在严格成像模型的基础上,对姿态角进行直接调整,以减小定位误差。利用环境减灾-1B（HJ-1B）卫星CCD1相机遥感影像进行分析,在单景影像的定位中,借助于2个地面控制点,将其系统误差减小到原来的1/3,从而验证了模型的有效性,为进一步在轨检校相机内部静态参数提供了前提。