航天器微流星体及空间碎片环境与风险分析

微流星体及空间碎片的高速撞击威胁着长寿命、大尺寸航天器的安全运行 ,导致其严重的损伤和灾难性的失效。文章对低地球轨道微流星体及空间碎片环境进行了分析 ,给出了微流星体及空间碎片对航天器威胁方向的确定方法 ,得到了空间碎片撞击航天器相对撞击角的概率分布以及地球对微流星体遮挡的影响。编制了风险分析软件 ,以采用单防护屏防护结构的柱状低地球轨道航天器为例进行风险分析。     

美国"空间环境及其效应"计划

对航天器来说,围绕地球和太阳的空间环境是极为严酷的.它决不是完全真空,而是充满高能粒子流和来自太阳的电离辐射.地磁场把热等离子体(或太阳风)捕获并集中在一个区域内,在地球上层大气存在着热流动和热梯度,而在地球周围还存在天然的微流星和不断积累的由航天器产生的人为空间碎片.     

结合多种剩余推进剂测量方法的应用研究

基于＂十一五＂期间对多种航天器剩余推进剂测量方法的研究成果,分析了气体注入（压力激励）法、超声波流量计法、加速度计法、热容法以及压力-体积-温度（PVT）法和簿记（BK）法的适用范围,对这些剩余推进剂测量方法在航天器整个寿命期间不同时期的应用方案进行了研究,提出了3种典型的测量方法组合方案和应用策略.     

基于数据网格化方法的低轨辐射带建模技术

地球辐射带中的高能带电粒子是引起航天器材料和器件性能退化甚至失效的主要空间环境因素.因此,航天器设计中所采用的辐射带模型的准确程度对于航天器的生存能力和航天任务的完成质量至关重要.在利用我国自主辐射带高能粒子探测数据进行的辐射带建模中,探测数据的空间网格化是一项非常重要的工作.介绍了我国辐射带探测数据的情况,以及辐射带建模的方法和步骤;重点研究了不同插值方法在低地球轨道(LEO)空间辐射带建模数据网格化中的应用,并开展了误差分析.研究结果表明:在各种常用的插值方法中,反距离加权法、自然邻点法和最近邻点法适合工程化应用.其中,反距离加权法生成的数据网格对粒子通量的反演结果精度最高,该方法采用低阶距离时得到的反演结果更为合理.      

空间核能源应用的安全性设计、分析和评价

针对核动力航天器应用中的安全性问题,调研了国际上涉及空间核安全的规章制度,并结合美国和俄罗斯在空间核安全设计、分析、评价等方面的成功经验和做法,提炼出了在空间核安全设计、管理等方面的有关要点,可以用于指导国内空间核动力航天器的研发和应用。     

航天器异常与空间环境

本文研究考查了靠近或在地球同步轨道上的ＳＣＡＴＨＡ、ＴＤＲＳ－１卫星以及ＧＰＳ、ＧＯＥＳ卫星组等的各自１０年左右运行时间中,空间环境所导致航天器异常的发生率的年分布特征,月分布特征,地方时分布特征以及不同类型的发生率分布特征。结果表明,由于不同空间环境因素对航天器作用不同,引起异常类型不一样,因此,太阳长周期和短月,地方时周期活动对航天器异常发生率影响无简单的统一规律特征;长周期中的单粒子事件是由     

空间高精度惯性导航的后牛顿模型

将广义相对论中的惯性系概念引入惯性导航,根据后牛顿引力理论,提出一种新的航天器惯性导航模型.以地球周围的测地运动物体为随动惯性参考系,利用航天器机载加速度计测量的比力和引力梯度作为观测量,通过求解航天器相对于随动惯性系的状态量达到导航定位目的.该方法用于高轨卫星时可以获得较高的测量精度,误差主要来源于惯性元件的测量以及随动惯性系测地轨迹设计,不存在现有惯性导航模型中随时间而累积的误差.     

低轨航天器磁推进及其能力估算

针对地球空间磁场分布特点,提出可用于实现低轨航天器轨道维持、轨道变更的无质消耗推进技术。从基本的磁学理论出发,建立了带磁航天器在地球空间磁场中的飞行磁推力模型,阐述了通过航天器磁性获取无工质消耗连续推力的磁推进概念和原理,阐明了作用机理,提出了磁力矩解耦的磁力线追踪推力策略,给出了磁推进的能力包络和轨道高度保持与提升的典型估算结果。分析表明,当飞行体磁矩达到10⁶Am²量级以上时,可以有效用于600~1000km范围内轨道高度保持或提升。此外,文章还简要分析了实现高磁矩的技术可行性。     

空间极小推力宽范围可调推进技术研究进展

空间极小推力宽范围可调推进技术是高精度航天器重点支撑技术,其性能决定了高精度控制任务的成败.在分析了空间极小推力宽范围可调推进技术内涵的基础上,对典型的宽范围极小推力冷气推进技术、电推进技术进行了国内外研究情况分析.研究分析了空间极小推力宽范围可调推进技术中涉及到的关键技术,如极小推力模型及高精度闭环控制技术、高精度流量驱动控制技术、高精度流量测量技术、高精度极小推力测试技术.对空间极小推力宽范围可调推进技术的发展现状和发展趋势进行了总结,给出了我国空间极小推力宽范围可调推进技术的发展建议.首次全面、系统地对空间极小推力宽范围可调推进技术进行了综述、总结和展望.     

美国新一代载人飞船--"乘员探索飞行器"

"乘员探索飞行器"(CEV)是美国航空航天局(NASA)用来替代即将退役的航天飞机的一系列载人航天器,它替代了原来的"轨道空间飞机"(OSP)计划.     

基于数据融合的MEMS阵列加速度传感器实现方法

针对单MEMS加速度计性能有限无法满足实际工程中日益复杂且严苛的检测需求的问题,提出了一种基于数据融合的MEMS阵列加速度传感器实现方法。首先,设计了MEMS阵列加速度传感器的系统架构,并分析了对数据融合算法的技术需求;然后,针对已有的数据融合技术无法满足MEMS阵列加速度传感器的精度与实时性要求的问题,提出了基于离散对数映射的自整定加权融合算法,在此基础上,设计了MEMS阵列加速度传感器的仿真验证方案。仿真实验结果表明,提出的方法通过三个不同范围MEMS加速度计的阵列集成提高了信号检测能力,相比于最优拼接法其平均损失降低了6.1%,且融合数据精度优于各个加速度传感器的原始仿真数据,是高性能MEMS阵列加速度传感器的有效实现方案。     

电容式微加速度计闭环检测电路

针对硅微惯性器件中的微小差分电容检测,提出了一种应用于三明治结构差分电容式微机械加速度计的闭环检测电路.通过等电势屏蔽法,相干解调技术和增加激励信号对称性等技术屏蔽杂散电容,抑制了电路噪声和共模误差,提高了检测电路的微弱信号辨识能力;静电力平衡闭环检测克服了开环输出信号的非线性缺陷,实现了高线性度、高分辨率的电容检测.设计的闭环检测电路具有电路简单、线性度好、抗干扰性强和易于集成的特点.实验结果表明,加速度计量程可达±15g,电容分辨率可达10^-16F.     

石英挠性加速度计阻尼参数闭环检测方法

石英挠性加速度计作为一种高精度惯性测量传感器,被广泛用于航天器姿态控制及惯性导航中。在石英挠性加速度计设计时,摆组件在腔体内的阻尼系数是一项重要的参数。与摆组件的转动惯量及挠性梁刚度等参数不同,阻尼系数与摆片的表面积、摆组件工作间隙、大气压强等多种因素相关。为了获取石英挠性加速度计正常工作状态下阻尼特性参数,研究了一种基于系统闭环频率响应的阻尼系数测量方法。利用水平振动台获取石英挠性加速度计幅频特性曲线,采用最小二乘参数拟合的方法对石英挠性加速度计阻尼特性参数进行辨识。利用辨识得到的阻尼系数进行仿真,并绘制幅频特性曲线与实际采样输出比对,验证了基于系统频率响应的闭环测量方法有效可行。     

基于IFOA的MEMS加速度计无转台标定

为提高微机电系统（MEMS）加速度计的标定效率并降低对高精度转台的依赖,提出一种基于改进果蝇优化算法（IFOA）的MEMS加速度计无转台标定方法。首先,根据模观测标定法原理将加速度计标定问题转化为非线性函数优化问题。然后,针对经典果蝇优化算法存在的只能搜索正参数及搜索步长固定的不足,对味道浓度判定值及搜索步长进行改进,使改进后的算法具有全局参数搜索及可变步长2种性能,并利用Rosenbrock函数进行测试,结果表明,IFOA相比于经典果蝇优化算法具有全局参数寻优范围及更高的寻优精度。最后,将IFOA应用于求解加速度计待标定参数的非线性函数优化问题,并将结果与牛顿迭代法和粒子群优化（PSO）算法进行对比。仿真结果表明:IFOA在求解精度方面比牛顿迭代法提高了1~3个数量级;在运行稳定性方面比牛顿迭代法和PSO算法分别提高了30%和34%,在运行时间方面分别减小了15.2%和43.6%;在加速度计无转台标定方面具有良好的应用价值。      

Radiation testing of a commercial 6-axis MEMS inertial navigation unit at ENEA Frascati proton linear accelerator

We present the first results of a novel collaboration activity between ENEA Frascati Particle Accelerator Laboratory and University La Sapienza Guidance and Navigation Laboratory in the field of Radiation Hardness Assurance (RHA) for space applications.The aim of this research is twofold: (a) demonstrating the possibility to use the TOP-IMPLART proton accelerator for radiation hardness assurance testing, developing ad hoc dosimetric and operational procedures for RHA irradiations; (b) investigating system level radiation testing strategies for Commercial Off The Shelf (COTS) components of interest for SmallSats space missions, with focus on devices and sensors of interest for guidance, navigation and control, through simultaneous exploration of Total Ionizing Dose (TID), Displacement Damage (DD) dose and Single-Event Effects (SEE) with proton beams.A commercial 6-axis integrated Micro Electro-Mechanical Systems (MEMS) inertial navigation system (accelerometer, gyroscope) was selected as first Device Under Test (DUT). The results of experimental tests aimed to define an operational procedure and the characterization of radiation effects on the component are reported, highlighting the consequence of the device performance degradation in terms of the overall navigation system accuracy. Doses up to 50 krad(Si) were probed and cross sections for Single-Event Functional Interrupt (SEFI) evaluated at a proton energy of 30 MeV.     

无依托状态加速度计的新型标定方法

为解决加速度计性能参数时变性的问题,提出了无依托状态下加速度计标定方法.在无需借助转台等传统标定设备、无需拆卸惯性元件的条件下,充分利用惯导系统(INS,Inertial Navigation System)自身资源,以静基座初始对准获得的准确姿态信息为前提,利用当地重力g作为标定基准,考虑到误差模型非线性的特点,引入非线性寻优策略辨识零位偏差,将误差模型蜕变为线性后,运用线性最小二乘方法辨识安装误差矩阵和刻度因数误差,从而实现加速度计关键参数标定.数值仿真结果显示:经过标定后加速度计测量误差可减小20倍,说明在无依托状态下具有工程实用价值.      

一种新型井眼轨迹连续测量方法

为实现井眼轨迹自主、高精度测量,提出了基于改进航向姿态参考系统的井眼轨迹测量方案,采用2个单自由度陀螺仪和3个加速度计组成惯性测量单元,由惯性测量单元输出数据计算姿态角,在此基础上利用放下井绳长度已知的特点,采用空间坐标积分的方法,计算井眼轨迹的三维位置信息.仿真结果表明:算法克服了惯性导航定位误差随时间发散的缺点,有很高的定位精度.所述方案减小了测斜仪的体积,降低了成本和功耗,适于井下应用.     

一种适用于光纤捷联罗经寻北的新算法

舰船的摇摆使陀螺仪无法测出地球自转角速度(Ω),进而光纤捷联罗经系统无法根据陀螺仪和加速度计的输出直接计算出载体航向.针对这一问题,提出了一种寻北新算法.该算法以"固定"的参考系--惯性坐标系为参考基准,建立了过渡惯性坐标系和初始时刻捷联惯组惯性坐标系,利用加速度计敏感重力加速度在惯性坐标系中的投影计算出Ω的空间指向,得到地理真北.光纤捷联罗经系统寻北算法的实现分解为3个步骤:建立初始时刻捷联惯组惯性坐标系,利用加速度计获得稳定的水平坐标系;根据捷联惯组坐标系与初始时刻捷联惯组惯性坐标系的转换,将加速度计信息投影到初始时刻捷联惯组惯性坐标系,采用空间圆拟合法求出Ω的空间指向;将平行于Ω的矢量向水平面投影得到地理真北.仿真结果表明:载体晃动环境下的寻北精度达到了0.23°(1σ) .     

机器人在惯性元件测试中的应用

使用PUMA560机器人作为惯性元件测试台，设计并实现了机器人的垂向对准和加速度计阶跃翻滚试验。证明了使用机器人作为惯性元件测试台的可行性。     

Magnetic torquer induced disturbing signals within GRACE accelerometer data

The GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment) gravity field satellite mission was launched in 2002. Although many investigations have been carried out, not all disturbances and perturbations upon satellite instruments and sensors are resolved yet. In this work the issue of acceleration disturbances onboard of GRACE due to magnetic torquers is investigated and discussed. Each of the GRACE satellites is equipped with a three-axes capacitive accelerometer to measure non-gravitational forces acting on the spacecraft. We used 10 Hz Level 1a raw accelerometer data in order to determine the impact of electric current changes on the accelerometer. After reducing signals which are induced by highly dominating processes in the low frequency range, such as thermospheric drag and solar radiation pressure, which can easily be done by applying a high-pass filter, disturbing signals from onboard instruments such as thruster firing events or heater switch events need to be removed from the previously filtered data. Afterwards the spikes which are induced by the torquers can be very well observed. Spikes vary in amplitude with respect to an increasing or decreasing current used for magnetic torquers, and can be as large as 20 nm/s². Furthermore, we were able to set up a model for the spikes of each scenario with which we were able to compute model spike time series. With these time series the spikes can successfully be removed from the 10 Hz raw accelerometer data. Spectral analysis of the time series reveal that an influence onto gravity field determination due to these effects is very unlikely, but can theoretically not be excluded.