中国深空探测任务轨道控制技术综述

深空探测作为人类航天活动的重要方向,是人类探索宇宙奥秘和寻求长久发展的必然途径,也是衡量一个国家综合国力和科学技术发展水平的重要标志。深空探测轨道控制技术作为决定深空探测任务成败的关键技术之一,越来越多地受到关注并得到应用,成为各国深空探测技术研究和发展的热点。以我国探月工程各次任务为脉络,简述了历次任务轨道控制的目标和实施效果,总结了主要技术创新,在此基础上,展望了我国未来深空探测轨道控制的发展趋势。     

双站跟踪模式下“嫦娥4号”中继星定轨仿真分析

位于地月平动点的探测器因为较差的观测几何,需要地基USB/UXB与天文VLBI长时间的联合跟踪数据获取稳定精确的轨道。提出了利用中国深空网双站共视跟踪平动点探测器,获取双程、三程测距及VLBI测量数据,解算探测器精确轨道的模式。以"鹊桥"卫星为分析对象,首先评估中国深空网对"鹊桥"的跟踪能力。然后分析不同观测组合模式下的定轨计算精度。结果表明:双站共视约束下,深空站每天对"鹊桥"跟踪弧长大于5 h;使用长于6 h的双站跟踪数据进行定轨,系统差的解算更有利于轨道精度提升;跟踪时长超过2天时,必须在轨道解算的同时估计光压系数,并有望实现优于百米的轨道精度。     

自识别自校准Kalman滤波方法

在导航滤波、故障诊断等许多工程领域中,受环境因素影响、模型和参数的选取不当等原因,系统状态方程中往往含有未知输入(系统误差),传统的Kalman滤波方法无法消除这种未知输入的影响,导致产生较大的滤波误差。为此,提出一种自识别自校准Kalman滤波方法,并分别对线性系统和非线性系统进行了详细讨论,给出了相应的公式和滤波步骤。该方法能够自动识别状态方程中有无未知输入,当有未知输入时,则能自动估计未知输入,并对它进行补偿和修正。大量实例计算和仿真模拟表明,与传统方法相比,本文方法能够有效提高状态估计精度,且计算简单,便于工程应用。     

空间充气薄膜衍射成像结构的热力耦合分析

随着空间光学技术的发展,衍射成像系统成为空间光学领域的研究热点。提出了一种充气薄膜衍射成像结构设计方案,针对其在空间热载荷作用下的热力耦合效应开展研究。建立了充气薄膜衍射成像结构的热力耦合顺序分析框架,基于I DEAS和ANSYS软件二次开发技术,实现了热力耦合数值分析,得到了结构在轨运行时的瞬态温度场、热应力、热变形等。分析结果表明,充气支撑结构产生了较大热变形,但最大热应力远小于聚酰亚胺薄膜材料的抗拉强度,而镜面中心处没有出现较大的热变形响应,为充气薄膜衍射成像结构的防热设计提供了技术支持。     

一种平面约束辅助测量的深空探测器自主天文导航方法

深空探测任务中自主导航测量误差是影响深空探测自主导航系统精度的主要影响因素。针对抑制自主导航测量误差的问题,提出一种平面约束辅助测量的深空探测器自主天文导航方法,该方法在对系统非线性不等式几何平面约束建模的基础上,利用序列二次规划(Sequential Quadratic Programming,SQP)非线性规划方法,对深空探测器自主天文导航系统的非线性不等式约束进行非线性规划,直接辅助减小深空探测器自主导航系统的量测误差;利用CKF-SQP量测优化非线性约束滤波方法,对深空探测器自主导航系统的状态进行估计,进一步减小系统随机误差。仿真结果表明:所提方法可以有效抑制测量误差,实现深空探测器高精度自主导航。该方法可为深空探测器提供一种可行的高精度自主导航方法。     

NASA历表在深空导航中的发展和比较

利用不同版本的数值历表,对我国正在进行的探月工程以及后续的金星、火星和木星等深空探测中的导航问题进行分析和讨论。对DE405、DE421和DE430的动力学模型及其使用的观测数据进行了分析比较,考察了历表的精度和稳定性。并根据DE430历表简单讨论了木星在我国深空探测站的可视问题,为以后深空导航提供参考。简单讨论了中科院国家天文台行星无线电研究团组基于月球无线电测距(LRR)发展我国自己的历表以及开展基于月球深空导航计划的可行性。     

冷原子干涉重力仪在深空环境下的微重力探测

主要介绍了冷原子干涉的基本概念和原子干涉重力仪的发展;介绍了原子干涉的基本原理和在微重力环境下原子干涉重力仪的优势;阐述了国际上微重力环境下原子干涉重力仪的研究现状及其可能的应用。相对其他重力仪而言,原子干涉重力仪成为深空重力场测量的上佳选择,并且深空微重力环境可以有效延长原子干涉仪的干涉时间,提高仪器灵敏度。     

深空卫星重力测量计划研究综述

地球卫星重力测量计划CHAMP(CHAllenging Minisatellite Payload)、GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)、GOCE(Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer)和月球卫星重力测量计划(Gravity Recovery and Interior Laboratory,GRAIL)的成功实施,以及下一代地球重力卫星(GRACE Follow-On)的即将发射昭示着我们将迎来一个前所未有的高精度和高空间分辨的深空卫星重力探测时代。围绕深空卫星重力测量的研究背景、必要性、可行性、卫星重力反演软件平台构建、轨道摄动和未来研究方向开展了研究论证。研究表明:深空卫星重力测量作为新世纪重力探测技术,在精化量体重力场、提高惯性导航精度、天体动力学、天体物理学和军事技术的研究,以及促进国民经济发展和提高社会效益等方面具有广泛的应用前景。     

空间相机摆扫成像立体定位精度仿真分析

为了验证空间相机摆扫成像立体定位的可行性,考虑成像比例尺变化、摆扫角测量精度、摆扫角稳定度和摆扫角速度等影响因素,建立了以总体设计中影响定位精度的各指标为参数的空间相机摆扫成像几何模型,推导了基于误差传播理论的定位精度计算方法,并对平面定位精度和高程精度进行了仿真,提出了摆扫成像方式条件下提高定位精度的有效措施。结果表明,在成像幅宽较大时,单线阵摆扫成像线阵长度较小情况下和双线阵推扫成像线阵长度较大情况下,可达到相近的定位精度,提高摆扫角测量精度、摆扫角稳定度及时间同步精度,可提高平面定位精度。摆扫成像立体定位精度仿真方法适用于大幅宽成像遥感卫星定位精度指标分配。     

空间通信自适应文件传输协议设计

现有的基于调整重传次数来降低文件传递时延的算法,或固定地重传丢失的协议数据单元（包）两次,或仅根据丢包率来调节重传次数,没有考虑到包个数、丢包率、链路单向传播时延与单个包发送时延之比等影响因素。文章基于延迟型否定应答文件传输协议,提出了一种用于空间通信的自适应调节重传次数的文件传输协议。对该协议的文件传递时延和额外传输开销性能进行了理论建模,分析了重传阶段包重传次数对重传回合数和重传包总个数两方面的影响,提出了自适应调节模块的设计方案。理论分析和仿真结果表明,在地火通信、文件包个数为1k、丢包率为0.79条件下,相比于双重传文件传输协议和延迟型否定应答文件传输协议,分别缩短了55.69%和74.28%的文件传递时延;在地月通信、文件包个数为100k、丢包率为0.79条件下,相比于仅根据误码率调节重传次数的重复发送文件传输协议,缩短了28.05%的文件传递时延。