航天器设备动力学分析模型简化方法与应用

针对航天器设备因构成复杂引起的动力学分析模型建模困难问题,提出一种基于拓扑优化技术的有限元模型简化方法,以设备实测质量特性为约束条件,通过拓扑优化方法确定设备有限元模型可行设计空间中的材料分布,实现对结构刚度性能的模拟,获得满足动力学特性分析需要的简化的设备有限元模型。应用该方法创建了某星敏感器简化有限元模型,得到的星敏感器简化模型与产品实际质量、质心位置和转动惯量特性基本一致,并且前两阶频率分析值与试验值之间最大偏差约为30%。将该简化模型应用于其支撑结构的动态响应性能评估,两者组合体固有频率及加速度响应趋势的分析数据在450Hz以下的频率范围内与试验数据吻合较好,固有频率最大偏差约为39%。星敏感器简化模型的应用验证了基于拓扑优化技术的有限元模型简化建模方法的可行性,为航天器上复杂设备动力学分析有限元模型的简化建模提供了一种新的解决途径。     

用于EMI测量接收机脉冲响应校准的标准脉冲信号产生方法

EMI测量接收机作为电磁兼容测试中的关键仪器应用越来越广泛,但目前该类仪器的脉冲响应校准所用的标准源完全依赖于进口,国内尚无可替代的标准脉冲信号产生器。介绍一种用于EMI测量接收机脉冲响应校准的标准脉冲信号产生方法,首先建立标准脉冲信号的参数模型并对其进行数值分析和仿真,验证其符合CISPR 16-1-1标准的要求,之后搭建实验系统,利用标准脉冲信号生成软件控制任意脉冲信号发生器输出标准脉冲信号并对其进行补偿修正,获得符合CISPR 16-1-1标准要求的标准脉冲信号,该信号可用于EMI测量接收机脉冲响应的校准。     

微重力对拟南芥长势影响的代谢网络流平衡分析

微重力作为典型的空间环境因素,对植物生长发育的影响机制是空间生命科学的研究热点。微重力环境直接或间接影响植物代谢,并引起许多生理适应。 随着系统生物学的发展,代谢网络模型使微重力环境下的植物代谢建模成为可能。采用流平衡分析方法对模式植物拟南芥不同组织的代谢网络进行分析,研究微重力对拟南芥生长发育的影响机制。通过比较空间与地面条件下拟南芥的生物质产量,发现空间条件下拟南芥黄化幼苗、幼苗、芽、根、下胚轴的生物量分别下降了33.00%,51.52%,6.89%,12.53%,11.70%,与空间环境下拟南芥的长势变化趋势一致。代谢通路富集分析发现,微重力使得拟南芥的碳固定等通路下调,而磷酸戊糖途径上调,初步解析了微重力对拟南芥生长发育的影响机制,也验证了流平衡方法用于微重力生物学效应研究中的可行性。     

发动机羽流作用下的实时月尘运动仿真

月尘运动是月球探测器软着陆过程中不可或缺的重要环节,针对发动机羽流作用下月尘运动真实感不强和月尘颗粒运动模型过于简单的问题,提出了一种逼真的实时月尘运动仿真方法.通过计算流体动力学(CFD, Computational Fluid Dynamics)和二次谢别德插值(Quadratic Shepard)方法,分析和计算单个月尘颗粒的运动学模型,得到一定初始条件下粒子运动的二维轨迹曲线;通过分析粒子的数量、初始位置、初始速度、生命周期等参数对粒子运动学的影响和变化规律,抽象出月尘系统的粒子集;建立基于月尘粒子集的月尘运动模型.实验结果显示:该运动模型逼真的模拟了发动机羽流作用下月尘腾起、飞溅、弥漫、消散等运动过程,视觉真实感和实时性能良好,对研究真空环境中的月尘运动及月球软着陆等相关领域具有一定的参考意义.目前该方法已应用于北航虚拟现实国家重点实验室月球软着陆仿真系统.     

全系数自适应控制器若干稳定性质分析

在更加一般的条件下对黄金分割反馈控制器在单输入单输出和多输入多输出特征模型中的稳定性和鲁棒性进行了系统分析,并在混合辨识背景下研究了投影梯度法在特征模型框架中应用时的输入状态稳定(ISS)性和参数估计误差的L2界.最终的结果进一步扩展了已有的结论,对整个系统的稳定性分析具有重要作用.     

基于拉盖尔函数的卫星姿态预测控制方法

针对卫星在空间站中进行绕飞检测时的姿态控制问题,考虑卫星的姿态轴需要躲避禁飞区域并指向期望位置,提出了一种基于拉盖尔函数的模型预测控制方法,实现了对卫星姿态轴的控制。在模型预测控制方法的基础上,通过拉盖尔函数,将优化多个控制输入转换为优化少数的拉盖尔系数,建立了拉盖尔模型预测的控制策略,改善了传统的模型预测控制方法计算效率差的问题,减少了优化时间。采用卫星在空间站中绕飞的模型进行数值仿真验证,结果表明该方法能够使卫星的姿态轴躲避禁飞区并到达指定位置。与传统方法相比,这种基于拉盖尔函数的模型预测控制策略能够提高优化效率,减少计算时间。     

基于室内无线模型的穿墙损耗校正

K-M（Keenan-Motley）模型将单墙固定损耗值相加来计算室内无线信号穿透多墙的总损耗值,存在较大误差。针对该问题选取多种室内场景分别进行连续波（Continuous Wave,CW）测试,对无线信号穿墙损耗的影响因素和变化规律进行分析,提出了一种基于人工神经网络的室内无线模型穿墙损耗校正方法,对预处理后的测试数据进行训练并建立预测模型。经验证该预测模型符合校正判别准则,在实际场景下具有良好的预测准确度。     

2011年8月4日螺旋状日冕物质抛射爆发事件

利用多卫星多波段的综合观测数据,通过追踪光球表面等离子体速度分析计算了耀斑爆发前后磁螺度的变化,发现耀斑爆发前活动区中光球表面存在强的水平剪切运动,活动区磁螺度的注入主要由这种剪切运动所产生;使用CESE-MHD-NLFFF重建了耀斑爆发前后活动区的磁场位形,推测出耀斑过程中存在磁绳结构的抛射.基于这些分析,给出了这一螺旋状抛射结构的形成机制：爆发前暗条西侧足点的持续剪切运动驱动磁通量绳增加扭转,高度扭缠的通量绳与东侧足点附近的开放磁力线重联并与东侧足点断开,进而向外抛出并伴随解螺旋运动.另外,利用1AU处WIND卫星的观测数据在对应的行星际日冕物质抛射中找到典型磁云的观测特征.这表明除了传统上双足点均在太阳表面的磁云模型,这种单足点固定于太阳表面的磁通量绳爆发图景同样可能在行星系际空间形成磁云结构.研究结果对进一步认识磁云结构具有重要意义.     

45°(N)纬度带的Klobuchar like电离层延迟季节修正模型与评估

电离层延迟是全球卫星导航系统（GNSS）的主要误差源之一。对于装配GNSS单频接收机的航空器,选择简单有效的Klobuchar广播电离层模型来改正电离层延迟误差,其修正率为50%～60%。针对45°（N）纬度带,提出了更高电离层修正需求。考虑到季节因素对中高纬度地区电离层的显著影响,利用GIMs（Global Ionospheric Maps）分析了昼夜中TEC（Total Electron Content）的峰值和谷值随季节（年积日）的变化,建立了一种适用于45°（N）纬度带的Klobuchar like电离层模型。该模型不增加广播模型系数,新模型的夜间和VTEC高峰时电离层修正率分别达到了82%和80%,表明在穿刺点集中的45°(N)纬度地区使用该模型可以更精确地描述该地区的电离层,帮助航空器实现更高精度的定位。     

基于Krylov子空间法的柔性航天器降阶研究

带大型柔性附件的复杂航天器,其弹性变形通常用有限单元法描述.由于有限元节点坐标数目庞大将会给动力学方程求解和控制策略的实现带来巨大负担,因此对柔性太阳电池阵的动力学模型降阶进行研究.利用单向递推组集推导带太阳电池阵的航天器的刚柔耦合动力学方程,分别采用模态截断法、模态价值分析法和Krylov子空间法对太阳电池阵进行模型降阶,比较不同降阶模型和全有限元模型的动力学仿真结果.仿真结果表明,无论是否考虑大范围运动的影响,采用Krylov方法只需要较低的自由度就可以得到和采用有限元方法完全一致的结果.说明Krylov方法能够有效地降低航天器柔性附件的自由度,提高动力学仿真的效率,便于驱动控制的实现.