激光测距通信一体化技术研究及深空应用探索

概述了空间激光测距通信一体化技术的研究现状,提出了一种激光精密测距与高速通信一体化技术,基于双向单程测距原理,在BPSK外差相干激光通信的基础上,采用码元相位测量实现了激光测距与通信一体化设计,并完成了地面实验验证。实验结果表明：在通信码速率1 Gbit/s的情况下,其测距精度优于0.9 mm,并分析了参考时钟频差对测距精度的影响。最后对激光测距通信一体化技术在未来深空探测中的应用进行了探索研究。     

一种基于方差的自适应火星图像阈值选取算法

在基于光学成像的深空探测自主导航中,图像边缘处理直接影响视线矢量的提取,从而对自主导航的精度产生较大影响。传统的Otsu算法更侧重同区域灰度的均匀性,适用于图像中目标区域和背景区域面积相差不大的情况,因此在自主导航初始阶段,导航精度较低。根据深空探测巡航段拍摄到的火星图像的特点,基于已有火星探测任务的实拍图像,在Otsu算法的基础上,重新设计准则函数,提出了一种基于方差的火星图像阈值自适应选取算法。该算法将灰度值高于待定阈值的区域的方差表示为待定阈值的函数,以函数一阶微分的最大值对应的灰度值作为最优阈值。该方法具有计算量小、图像分割精确的优点。仿真结果表明,相较于传统的Otsu算法,通过该算法得到的图像阈值能够实现更高的视线矢量提取精度及自主导航精度。     

深空探测器同位素热源环境试验技术

为保证应用于深空探测器的同位素热源的安全性和可靠性,开展了深空探测器同位素热源环境试验技术研究。通过对同位素热源全寿命周期内各任务剖面的系统分析,总结得出了同位素热源环境试验项目,并对这些项目进行了研究及模拟实验,具体包括:高温–离心、高温–冲击、高温–振动等热–力复合环境试验技术,空气动力学加热、热冲击试验、发射场火灾事故地面模拟实验等异常环境安全性试验技术。通过以上研究建立了同位素热源鉴定级环境可靠性试验及异常环境安全性试验能力,为深空探测器同位素热源研制任务提供了技术支撑。     

模糊灰色聚类评估方法在导航滤波中的应用

目前针对深空探测导航中滤波算法的综合评估的方法种类繁多,但是仍然有较多评估方法由于其单一性,存在或多或少的问题。提出了一套反映滤波算法优劣程度的评估指标体系,并为其建立相应的数学模型。深空探测器采样点数据通过该数学模型计算后,由模糊灰色聚类方法进行综合评估。该方法是以灰色系统理论为基础,结合模糊综合评估方法所建立的评估模型。该模型可以摒弃二者单一使用时的缺点,提升评估结果的准确性。评估结果表明,此评估模型能够对滤波算法进行比较准确、合理、全面的评估。     

基于拉普拉斯变换的空间目标碰撞概率计算方法

碰撞概率是空间碎片碰撞预警中评判碰撞发生可能性大小的重要依据,对航天器机动规避具有重要意义。基于拉普拉斯变换的碰撞概率计算方法利用拉普拉斯变换以及幂级数的定义,推导了在短时间接近情况下碰撞概率的幂级数表达式,分析了碰撞概率的截断误差并确定了在不同精度要求下的幂级数项数。针对2009年美俄卫星的碰撞事件,将基于拉普拉斯变换的碰撞概率计算结果与Chan方法、Monte Carlo方法的计算结果进行比较,验证了基于拉普拉斯变换方法在计算精度上的优势。      

基于非线性模型预测的绳系系统系绳摆振控制

针对绳系系统离轨稳定控制问题,开展了系绳和绳端卫星构成的绳系系统在拖拽离轨过程中系绳摆动稳定控制方法研究。在考虑拖拽离轨过程中约束下,首先建立了包含绳端卫星的姿态运动的模型,并建立了绳系系统的离轨动力学方程和便于控制器设计的简化动力学方程。其次根据模型预测原理以最优化方法设计参考轨迹,最后以模型预测控制方法为基础设计了稳定系绳摆动的非线性模型预测控制方法。使用MATLAB软件平台仿真,验证了所设计的参考轨迹能完成目标和模型预测控制器有好的跟踪能力。      

基于计算力矩法的眼内手术机器人的重力补偿

为了提高一种具有远程运动中心(RCM)机构的眼内手术机器人的定位精度和稳定性,在建立机器人坐标系的基础上,通过动力学等效,对机器人各构件质心瞬态位置进行分析。根据拉格朗日方程建立机器人动力学模型。提出基于计算力矩法的重力补偿方法。在此基础上,通过MATLAB/Simulink软件对重力补偿模型进行仿真。比较独立比例微分(PD)控制方法及重力补偿方法的各关节运动响应曲线,表明重力补偿模型可有效补偿重力项;同时,分析重力补偿模型响应曲线与期望曲线的误差,证明重力补偿模型具有较高的补偿精度和可行性。     

基于OPTIMUS的临近空间飞行器再入轨迹优化设计

针对临近空间飞行器再入飞行受到热流率、动压和过载等多约束情况下的轨迹优化问题,提出了基于OPTIMUS优化软件平台搜索初值的编程求解方案。首先根据再入飞行动力学原理建立数学模型,并合理简化,应用最优控制理论设计滚转角控制律;然后利用OPTIMUS软件平台搭建系统工作流程,进行试验设计并建立响应面模型,通过平台集成的优化算法寻找初值;最后结合不同优化算法的优点,基于遗传算法加模式搜索法编写程序求解轨迹。结果表明,基于OPTIMUS分析所设计的轨迹优化方案,可以快速确定较为准确的初值,计算效率显著提高,且能够保证较高精度。     

双臂空间机器人系统运动规划的双向逼近方法

基于双向逼近方法,讨论了载体位置与姿态均不受控制的双臂空间机器人系统的运动规划问题．该方法以系统动量和动量矩守恒关系为基础,建立了控制系统设计所需系统状态方程;并通过对系统状态方程应用双向逼近方法,获得了机械臂关节角的控制输入方程,从而达到对载体姿态及机械臂关节角的双重控制效果．该方法的优点是减少了载体姿态控制燃料的消耗,有效地延长了空间机器人系统的使用寿命．系统数值仿真证明了该方法的有效性．