卫星编队自主相对导航与通信一体化系统探讨

探讨了一种新的卫星编队自主相对导航与通信系统一体化系统设计方案,提出了基于软件无线电的半双工CDMA测量通信一体化系统,实现自主相对导航和星间通信的一体化功能,通信数据和导航测量数据也统一在一个数据帧中传输,不需要独立的星间网络通信系统和增加额外的通信频段进行通信数据传输。系统采用S波段,详细阐述了系统架构和工作原理,分析了系统性能,并进行了仿真验证。     

微波能量传输系统设计及试验

面向空间太阳能电站应用,进行了固态体制微波能量传输技术研究。针对能量传输波束扩散导致收集效率低的问题,研究了基于人工媒质理论设计的完美匹配层的能量接收整流表面,通过调节人工媒质单元的结构参数实现天线输出阻抗与整流电路输入阻抗的共轭匹配,同时抑制整流电路高次谐波,省去原有匹配及低通滤波器,简化电路结构、实现高效微波能量吸收与转换。以空间太阳能电站规定的波束中心传输微波功率密度限制作为能量接收整流表面设计的约束条件,设计能量接收整流表面,结合固态体制微波能量发射端,搭建5.8GHz小规模微波能量传输系统开展了地面试验验证,实测结果显示整流表面能量转换效率最高为57.7%。此次试验验证了先进的固态能量传输试验系统,为空间太阳能地面缩比试验及未来空间太阳能电站的建设提供了技术支撑。     

显示多体动力学方程自动编制技术

为高效得到复杂柔性多体航天器的动力学方程解析表达式,研究了系统动力学方程自动编制技术。首先,基于Kane方法推导了构型简单的链状多体系统动力学显式方程;然后,根据方程中各项物理意义和分布规律,开发了适用于树状构型多体航天器的解析动力学方程输出程序,并运用Latex软件对输出文本进行二次编译,增强输出复杂数学公式的可读性。所得方法极大地简化了对此类航天器的建模工作。     

锥柱面螺旋线短程线与网格缠绕成型技术

针对复合材料网格结构筋条及蒙皮缠绕成型的需求,运用微分几何方法,对柱圆锥面螺旋线短程线进行了探讨。解决了复合材料网格结构筋条及蒙皮的缠绕成型问题。结果表明圆柱和锥段螺旋线的弧长和曲率计算方法,可用于圆柱段和圆锥段复合材料网格结构成型装置的设计生产和纤维缠绕。对数螺线和阿基米德螺线的弧长和曲率计算方法,可用于锥段复合材料网格结构软模成型装置的设计生产和纤维缠绕,为复合材料网格结构自动化制造创造了条件,同时针对工程需要,对不同的网格结构选择不同的加工成型方式,可大大降低加工难度,实现低成本快速批量生产。     

Yarkovsky-Schach effect on space debris motion

The Yarkovsky-Schach effect is a small perturbation affecting Earth satellites and space debris illuminated by the Sun. It was first applied to the orbit of LAGEOS satellites as an explanation of the residuals in orbital elements. In this work, we carry out several numerical integration tests taking into consideration various orbit and rotation parameters, in order to analyse this effect in a broader context. The semi-major axis variations remain small and depend on the spin axis attitude with respect to the Sun. We show that the force amplitude is maximised for orbits inclined with $i\approx$?20–30°. We also observe the influence on other orbital elements, notably on the orbit inclination. However, these effects are clearly observed only on long timescales; in our simulations, we propagated the orbits for 200?y. The Yarkovsky-Schach effect is thus confirmed to have a minuscule magnitude. It should be taken into account in studies requiring high-precision orbit determination, or on expanded timescales.     

面向编队飞行的天文多普勒差分/脉冲星组合导航

太阳光较强,太阳多普勒差分导航测量精度高,但难以提供多方位速度信息。恒星星光弱,恒星多普勒差分导航测量精度低,但可提供多方位速度信息。为了提高航天器的天文自主导航能力,提出一种面向编队飞行的天文多普勒差分/脉冲星组合导航方法。利用3颗及以上的脉冲星导航是完全可观测的,但滤波周期较长,难以获得连续的导航信息。3种导航方法具有互补性,可以进行组合导航。利用扩展卡尔曼滤波器作为导航滤波器来融合天文多普勒差分和脉冲到达时间,并为编队飞行提供绝对和相对导航信息。仿真结果表明,该组合导航方法能为编队飞行提供高精度的绝对和相对导航信息。     

卫星地面测控站的防雷技术

雷电是大气中带有大量电荷的雷云放电的结果,落地雷强大的雷电流可达数十至数百千安培。由于卫星测控站的天线通常是附近最高的建筑物,在雷雨季节容易招引雷电。文章在对卫星地面测控站的多起雷击事故进行调研统计的基础上,分析得出测控设备遭受雷击的原因,讨论了卫星地面测控站的防雷击理论和接地技术,提出测控站防雷击措施,主要包括等电位接地、等电位连接、机房电磁屏蔽、合理布线等。     

美国转型通信体系研究

2002年初,美国国防部发起了针对政府通信卫星的转型通信研究（TCS）,以加快具有先进技术水平的高级通信能力交付到战场的过程。同年年底成立了转型通信办公室（TCO）,同步、协调和指导美国转型通信体系（TCA）的开发。转型通信体系涉及美国众多政府机构,主要包括国防部、情报界和国家航空航天局。其目标是消除通信的限制,通过协调、有效地开发和部署空间和地面独立、兼容、互操作系统,构建未来20年政府空间通信体系。TCA文件至今已经发展了3个版本,经历了多次变动和改进。文章介绍了TCA的定义、目的、范围和组成,分析其发展演进过程,总结其经验教训,最后给出几点结论与启示。     

基于lipschitz非线性滑模观测器的卫星故障检测

航天器模型存在非线性问题, 但其小角度在轨运行时满足lipschitz条件,可以在这种情况下进行故障检测, 提高系统的安全性. 应用滑模非线性观测器, 针对多执行器设计了多通道故障检测观测器, 通过Lyapunov函数对其收敛性进行证明. 结果表明, 观测器不仅能够实现故障检测, 还能够实现故障的隔离, 并利用反证法进行了说明. 应用线性矩阵不等式, 给出了观测器参数的求解, 进而对卫星建模及仿真, 与线性化方法进行比对, 验证了算法的有效性.      

基于信息一致性的无人机紧密编队集结控制

提出了基于信息一致性的分段式无人机紧密编队集结控制策略,将集结过程分为3步:参考集结点选取和目标集结点分配、形成松散编队以及形成紧密编队。首先,以线切入预定航线的方式计算参考集结点,按照松散编队队形展开生成目标集结点,并利用基于三维距离空间的优化选择算法,将目标集结点快速、准确地分配给每架无人机。然后,使用速度一致性实现向目标集结点定点集结和向松散编队伴航集结,通过非精确的航迹控制快速形成松散编队,提高编队集结的效率。接下来,启动速度、姿态一致性来实现编队最终的精确航迹控制,并逐步压缩编队队形进入紧密编队,避免发生碰撞,完成从松散编队到紧密编队的平稳过渡,同时准确地跟踪预定航线。使用协同修正方法抑制了测量误差、协同误差和通信延迟,提高了紧密编队的稳定性和控制精度。最后,基于MATLAB平台环境对所提三维集结控制策略进行了仿真,验证了其合理性与有效性。