Future of Space Astronomy: A global Road Map for the next decades

The use of space techniques continues to play a key role in the advance of astrophysics by providing access to the entire electromagnetic spectrum from radio to high energy γ rays. The increasing size, complexity and cost of large space observatories places a growing emphasis on international collaboration. Furthermore, combining existing and future datasets from space and “ground based” observatories is an emerging mode of powerful and relatively inexpensive research to address problems that can only be tackled by the application of large multi-wavelength observations. While the present set of astronomical facilities is impressive and covers the entire electromagnetic spectrum, with complementary space and “ground based” telescopes, the situation in the next 10–20 years is of critical concern. The James Webb Space Telescope (JWST), to be launched not earlier than 2018, is the only approved future major space astronomy mission. Other major highly recommended space astronomy missions, such as the Wide-field Infrared Survey Telescope (WFIRST), the International X-ray Observatory (IXO), Large Interferometer Space Antenna (LISA) and the Space Infrared Telescope for Cosmology and Astrophysics (SPICA), have yet to be approved for development.     

太阳同步轨道卫星光学特性

为了分析太阳同步轨道卫星的光学特性,对FY-1卫星的可见光和红外波段光学信号进行了仿真计算和模拟试验验证.通过对外部辐射及内部热源的分析,计算了卫星的温度场,采用随机起伏表面算法模拟表面覆盖材料外表面,通过阴影遮挡判断及双向反射分布函数(BRDF, Bi-directional Reflectance Distribution Function)模型计算卫星对外部辐射的反射特性,编程计算得到在可见光0.4~1.0μm和红外8~14 μm,14~16 μm波段下卫星的光学特性.结果表明红外辐射亮度与表面温度相关,8~14 μm最大约90 W/(m²·sr)、14~16 μm最大约20 W/(m²·sr).空间可见光辐射强度具有明显的镜面反射效应,卫星主体峰值2 200 W/sr.通过地面模拟测量空间目标的温度和红外辐射验证了温度及红外辐射仿真计算模型,可见光辐射强度仿真计算结果与地面模型卫星测量结果误差在20%以内.     

单轴台的大角度姿态快速机动联合控制方法

为验证小卫星大角度姿态快速机动与高精度稳定控制能力,基于单轴气浮台硬件仿真环境,提出了一种利用推力器与飞轮组合的联合控制策略.采用相平面控制技术与有限时间控制理论设计控制器,利用推力器实现无超调的快速机动控制,利用飞轮实现有限时间内的高精度稳定控制,使单轴台在有限时间内快速高精度稳定于目标姿态.物理仿真结果表明:该方法在有限时间内完成单轴台快速稳定控制的同时,可有效避免机动过程中的超调现象,且能有效规避推力器的频繁开关与飞轮的过快饱和等问题.     

直接敏感地平的空天飞行器惯性/天文组合方法

传统的惯性/天文位置组合导航系统中,由于天文定位观测输出耦合了水平观测平台基准误差,往往存在系统噪声与量测噪声不完全独立的问题.针对此问题,分析了利用天文观测量修正惯性系下陀螺漂移的原理,提出了一种直接敏感地平进行天文解析定位及组合滤波的空天飞行器自主导航定位方案,并建立了相应的组合滤波模型.所提出的方法采用星敏感器和陀螺仪构造惯性基准,并在此基础上进行基于红外地平仪的天文定位解算,最后进行惯性/天文组合定位.该方案充分利用了星光敏感器在惯性系下姿态测量精度高的优点,并使惯性/天文组合定位滤波中状态噪声和观测噪声完全独立,仿真结果验证了该定位方法的有效性.     

一种改进的多目标粒子群优化算法

为了增强多目标粒子群优化算法的收敛性与多样性,提出一种改进的多目标粒子群算法.采用Kent映射对种群进行初始化,并将目标空间均匀划分为若干扇形区域;基于一种新的多样性和收敛性判定标准,选取合适的收敛性最优解和多样性最优解,并提出一种改进的粒子群更新公式进行全局搜索;采用聚类算法对外部种群与坐标轴夹角进行分析,维护外部种群.通过标准测试函数的仿真实验,与多目标优化算法基本MOPSO(Multi-objective Particle Swarm Optimization Algorithm)和NSGA-II(Nondominated Sorting Genetic Algorithm II)进行对比,结果表明了该改进算法的有效性.     

基于粒子滤波和不确定图的动态系统诊断方法

在动态系统基于模型诊断中,状态空间大小与元件个数、时间是双指数关系.K-Best枚举方法每个时刻只考虑K个可能性最大的状态,有效减小了枚举空间,但当系统复杂庞大或诊断周期长时,状态更新仍是一项巨大工程.提出一种结合粒子滤波和不确定图的动态系统诊断方法PF_LUG,利用粒子在状态空间的分布近似其概率,并用不确定图标签的反向匹配代替传统的正向轨迹枚举.算法有效解决了由时间导致的计算量增长问题,使时间对复杂度的影响由指数运算降为乘积运算.仿真结果表明该算法的运行时间相对诊断周期线性增长,比K-Best枚举有明显优势.     

粘弹性材料阻抗非局域特性实验验证

基于材料透射阻抗的定义阐述了粘弹性材料的局域和非局域性质,并阐述了阻抗矩阵和频响函数矩阵之间的关系.通过将声压表面力的分布离散为等效点力的方法导出了频响函数表达式.基于频响函数矩阵元素的表达式,对粘弹性材料平板进行了点力激振下振动透射的频响测量实验,同时用粘弹性有限元方法数值计算了该板的振动频率响应,实验和数值结果的一致不但验证了粘弹性材料频率响应和声阻抗的非局域特性,也说明了实验及数值方法的正确,为进一步研究打下基础.     

基于物理光学假设的导体表面电流密度误差分析

用物理光学法计算理想导体雷达散射截面过程中,需要基于无限大切平面假设计算表面电流密度.只有对表面比较光滑的电大尺寸目标,该假设才近似满足,而在一般情况下由该方法求得的表面电流密度存在误差.将二维导体圆柱、方柱以及三角柱等构型在不同入射频率、极化下的物理光学表面电流密度与精确解或矩量法结果进行了对比.分析表明:横磁波照射时物理光学法除在顶点处有较大误差外,基本能够正确反映出表面电流密度分布情况.横电波情形下物理光学法难以如实反映照射面和阴影面电流的谐振变化,与入射方向平行的面上表面电流密度也有较大误差.