UKF参数估计在航天器气动辅助变轨问题中的应用

为快速精确地求解气动辅助变轨问题,提出一种基于无损卡尔曼滤波(UKF)参数估计的数值求解方法。首先,针对气动辅助变轨问题,利用极大值原理将其转化为对应的两点边值问题;然后,以协态变量的初值作为估计参数,以末端条件为期望观测值,将该两点边值问题转化为参数估计问题,并应用UKF滤波算法求解。该算法基于估计理论,避免了计算传统数值方法所需要的梯度矩阵,同时克服了猜测协态变量初值的困难,降低了求解气动辅助变轨问题的难度。数值仿真表明,该算法结构简单,求解效率高,具有良好的鲁棒性。     

一种星载GNSS-R海面风向反演方法

针对目前海面风场反演中风向反演困难,准确性低的问题,提出一种利用深度网络反演海面风向的新方法,该方法采用星载GNSS-R信号作为遥感源,根据海面反射信号特性与风向相关关系选择反演观测量,建立海面风向反演的深度网络模型。引入ReLU函数作为网络激活函数,并基于遗传算法(GA)优化了网络模型,对输入数据进行时空匹配与归一化处理,通过机器学习建立风向与输入变量的对应关系,利用深度网络模型反演得到海面风向,该方法反演结果的均方根误差εRMSE=18.14°,满足海面风向测量精度均方误差小于20°的一般测量要求,并通过两组对比试验验证了该方法的有效性和鲁棒性。     

大型挠性航天器的鲁棒模型预测姿态控制

针对大型挠性航天器的三轴姿态控制问题,考虑了控制输入约束,设计了鲁棒模型预测姿态控制器。首先,将模型预测控制应用到不考虑扰动的标称挠性航天器系统中,通过求解优化问题推导预测控制律,从而得到三轴姿态的标称轨迹。然后,为有效处理大型挠性附件振动对中心刚体姿态造成的扰动,针对带有扰动的挠性航天器实际姿态控制系统,设计由最优状态与实际系统状态的误差构成的辅助反馈控制器,使实际系统状态维持在以标称轨迹为中心的“管道”(Tube)不变集内,并驱使实际系统状态到达标称轨迹上,最终沿着标称轨迹到达平衡点。仿真结果表明,在鲁棒模型预测控制的作用下,实现了姿态角的快速精确跟踪,有效地处理了由大挠性附件振动对中心刚体姿态产生的扰动,增强了系统的鲁棒性。     

基于基尔霍夫面的四维声学频域公式

流动诱发噪声问题是实际工程领域极为普遍的问题之一,经典的声比拟模型仅以声学压力为参考来评估声场特征分布还远远不够。从声压和声学速度矢量为变量的四维线性波动方程出发,选择包围非线性声源的基尔霍夫面为积分面,并结合对流格林函数,给出均匀运动介质的四维声学频域积分公式;针对静止、旋转单极子源和偶极子源开展数值预测研究。结果表明：本文获得的声压和声学速度分布与解析解吻合,均匀来流情形下静止点源的声场分布表现出典型的对流效应;受均匀来流、点源的自激频率、谐波阶次和旋转频率的共同影响,旋转点源的声场分布则表现出明显的多普勒效应和对流效应。本文对均匀流矢量气动噪声开展的精细化研究能够为声能量的评估和传输路径预测提供技术支撑,进一步为降噪研究提供理论依据。     

空间旋转目标涡流消旋概念与仿真分析

针对消除空间旋转目标姿态旋转的问题,本文将第二代高温超导技术与涡流制动技术相结合,提出超导式涡流消旋的概念。然后,对涡流消旋的技术可行性进行了定性分析,通过对多种消旋技术手段的权衡比较归纳出涡流消旋的优势。接着,采用电磁张量理论,建立了电磁-涡流作用机理的精确磁场和涡流力矩模型;最后,考虑实际消旋的任务需求,对典型的高速旋转目标、低速旋转目标、以及复合旋转目标的消旋进行了动力学仿真研究。仿真结果表明,涡流消旋具有足够强大的制动能力,能有效消除目标的高速旋转或复合旋转运动。     

气体辐射与流场耦合对火星进入热环境影响

采用火星大气物理化学模型,求解带辐射源项的三维热化学非平衡N-S方程,对探路者号火星探测器进入过程中的高温流场和热环境进行了数值模拟,分析了气体辐射与非平衡流场耦合效应对流场和热流的影响。结果表明:1)探路者号火星探测器流场热化学非平衡效应显著,CO₂气体发生大规模离解,高度低至28.5 km仍存在热力学非平衡效应;2)热力学与化学非平衡效应的影响均与表面催化特性相关,完全催化热流要高于完全非催化热流50%以上;3)高温流场中的CO组分会产生较强的气体辐射加热,辐射热流与对流热流的比值为15%～45%,靠近肩部区域比值最大;4)气体辐射对非平衡流场的冷却效应使激波脱体距离减小;与非耦合方法相比,采用耦合方法得到的辐射热流降低约12%～25%。     

联合EKF和EKPF的空间非合作目标单目位姿估计

针对微小卫星自主抵近任务中模型未知的非合作目标的相对位姿估计难题,提出一种联合扩展卡尔曼滤波EKF和扩展卡尔曼粒子滤波EKPF的非合作目标的单目位姿估计方法。以任务星相机坐标系为参考,构建非合作目标的相对运动模型。以目标图像中的特征点坐标为观测值,构建非合作目标测量方程。对相对位姿和特征点三维坐标进行初始化后,利用扩展卡尔曼粒子滤波估计目标相对位姿,利用扩展卡尔曼滤波估计特征点三维坐标。使用OpenGL生成非合作目标空间图像进行仿真验证,结果表明本文提出的非合作目标单目位姿估计方法可获得较高精度的位姿估计,且具有较好的鲁棒性。相比已有方法,本文方法不需要初始位姿假设,且能够有效减小计算时间,提高位姿估计效率。     

嫦娥五号月球轨道交会对接远程导引轨道设计与飞行实践

结合月球轨道交会对接任务的特殊性和中国探月工程的实际工程约束,介绍了嫦娥五号任务月球轨道交会对接远程导引轨道设计,包括轨道器调相和上升器远程导引两方面内容,重点介绍了月球轨道交会对接远程导引多脉冲调相轨道方案的选择、标称轨道优化设计、轨控策略和误差分析结果以及实际飞行轨道控制的情况。飞行实践数据分析表明:嫦娥五号任务月球轨道交会对接远程导引轨道设计是正确合理的,实际飞行的速度增量满足推进剂预算的要求,全飞行过程测控条件良好,交班点控制精度完全满足转自主控制的要求,有力保障了交会对接和样品转移的顺利完成。     

改进模拟退火算法的喷管动力学模型修正

为获得液体火箭发动机喷管高精度的结构动力学有限元模型，提出一种基于改进模拟退火算法（Improved Simulation Annealing Algorithm，ISAA）的有限元模型修正方法。首先，将复杂的薄壁夹层板喷管等效为复合材料层合壳，建立喷管的参数化有限元模型；在此基础上，以结构模态参数为参考基，构造出联合使用模态频率及模态振型的目标函数，并运用灵敏度分析提取设计变量，从而建立其优化模型；提出带记忆、局部搜索功能的改进模拟退火算法，运用ISAA在设计空间进行多目标全局寻优；最后，采用基于MSC Patran/Nastran软件平台二次开发的结构动力学模型修正软件ZDXZ V1.0进行模型修正，并对模型修正方法的有效性进行了校验。结果表明，修正后喷管的前3阶计算模态频率与试验值相对误差小于2%，振型相关性最小MAC值大于0.9，大大提升了喷管模型的动力学符合性，模型精度满足工程应用要求；表明所述模型修正策略的有效性，该方法具有高效、强鲁棒性等特点，适合于大型复杂结构的模型修正。     

无拖曳卫星氮气微推进系统填充与开机工作特性的仿真研究

采用AMESim软件对氮气贮存压力为1.5×10 7 Pa、推力范围为mN级的压电驱动的氮气微推进系统进行建模。研究了氮气填充过程中氮气瓶、减压阀的压力和质量流量瞬态特性。分析了整合喷管的压电比例阀在开机过程中的瞬态工作特性。最后，研究了驱动电压对压电比例阀在开机过程中的阀芯位移和喷管推力瞬态值、阀芯运动和推力响应时间的影响规律。结果显示，当驱动电压为80 V时，阀芯的响应时间和稳定位移分别为 0.64 ms 和3.67 μm。开机后8 ms，喷管推力达到稳定值(0.588 mN)。压电比例阀阀芯的开启响应快速，且驱动电压与喷管推力之间存在良好的线性关系，说明推力可通过改变驱动电压进行mN级的线性调节。