Scheduling algorithms for rapid imaging using agile Cubesat constellations

Distributed Space Missions such as formation flight and constellations, are being recognized as important Earth Observation solutions to increase measurement samples over space and time. Cubesats are increasing in size (27U, ～40?kg in development) with increasing capabilities to host imager payloads. Given the precise attitude control systems emerging in the commercial market, Cubesats now have the ability to slew and capture images within short notice. We propose a modular framework that combines orbital mechanics, attitude control and scheduling optimization to plan the time-varying, full-body orientation of agile Cubesats in a constellation such that they maximize the number of observed images and observation time, within the constraints of Cubesat hardware specifications. The attitude control strategy combines bang-bang and PD control, with constraints such as power consumption, response time, and stability factored into the optimality computations and a possible extension to PID control to account for disturbances. Schedule optimization is performed using dynamic programming with two levels of heuristics, verified and improved upon using mixed integer linear programming. The automated scheduler is expected to run on ground station resources and the resultant schedules uplinked to the satellites for execution, however it can be adapted for onboard scheduling, contingent on Cubesat hardware and software upgrades. The framework is generalizable over small steerable spacecraft, sensor specifications, imaging objectives and regions of interest, and is demonstrated using multiple 20?kg satellites in Low Earth Orbit for two case studies – rapid imaging of Landsat’s land and coastal images and extended imaging of global, warm water coral reefs. The proposed algorithm captures up to 161% more Landsat images than nadir-pointing sensors with the same field of view, on a 2-satellite constellation over a 12-h simulation. Integer programming was able to verify that optimality of the dynamic programming solution for single satellites was within 10%, and find up to 5% more optimal solutions. The optimality gap for constellations was found to be 22% at worst, but the dynamic programming schedules were found at nearly four orders of magnitude better computational speed than integer programming. The algorithm can include cloud cover predictions, ground downlink windows or any other spatial, temporal or angular constraints into the orbital module and be integrated into planning tools for agile constellations.     

载人地月混合轨道一次脉冲应急返回轨道分析

对于载人地月转移任务，应急返回轨道是航天员安全返回地球的保障。针对载人混合轨道地月转移对安全性要求高的特点，基于载人地月混合轨道，提出了3种一次脉冲的应急返回轨道，即直接返回、即刻机动绕月返回及绕月后机动返回等模式。研究了不同时刻发生故障后，利用3种应急模式返回地球的转移时间和速度增量等特性，研究了载人地月转移全过程出现故障后的应急方式，总结了3种应急模式的应用特点及优劣，可为载人月球探测任务顶层任务分析与设计提供参考。     

壁挂式主频可调变截面小卫星结构设计与验证

针对多星并联布局“一箭多星”发射小卫星的模式，为降低星箭连接界面结构受力、提高卫星结构对不同运载火箭的主频适应性、提高星内设备安装空间利用率，本文设计了一种壁挂式主频可调变截面小卫星结构。对该卫星结构，开展了基于有限元方法的模态和静力分析验证，还开展了地面鉴定级振动试验验证和在轨飞行试验验证。分析和试验结果表明，壁挂式卫星结构相比底部连接式卫星结构，星箭连接界面受力可降低67.7%；在不增加卫星结构质量的前提下，仅通过安装或拆卸主传力路径上的部分连接螺钉，就能实现卫星3个方向一阶频率10 Hz左右的可调范围；采用沿运载火箭轴线方向横截面大小可变的变截面结构设计，可将星内设备安装空间的利用率由等截面卫星结构的49.1%提高到74.2%。     

介质阻挡放电等离子体气动激励的动量特性

从诱导气流速度和体积力两个方面开展了介质阻挡放电等离子体气动激励的动量特性研究,对不同激励参数下的诱导气流速度进行了测量与结果分析;通过对体积力的实验测量与理论计算,对比研究了体积力的变化规律与主要影响因素.结果表明:等离子体气动激励可以增大气流速度,但随着气流速度的增大,等离子体气动激励的加速效果减弱;激励电压或激励频率增大,体积力均表现为线性增加,但激励电压增大时可以更好的增大体积力;与增大电极内间距相比,增大下层电极宽度可以产生更大的体积力.      

飞翼布局翼身融合特性研究

提出了融合度描述方法,通过建立统一的表面面元模型分析计算融合对气动特性和隐身特性的影响。采用响应面方法对基于几何模型的面元法计算结果进行修正,给出了最大升阻比和平均雷达散射截面积与融合度的关系曲线,为气动隐身一体化的翼身融合设计提供依据。     

三体问题地面实验的相似性分析

研究了三体问题相似性的分析流程,给出了三体问题实验近似相似性程度的公式化度量方法。首先,明确了三体问题地面实验的构建原理与方法;其次,建立圆形限制性三体问题的动力学模型,并利用相似性分析方法建立三体问题的相似性度量函数;再次,建立存在各种干扰因素情况下实验系统动力学模型,并利用相似性度量函数衡量在干扰因素作用下实验满足相似性的程度;最后,利用数值仿真法进行仿真分析从统计的角度得出各种干扰对于三体问题实验相似性的影响大小,并给出各种干扰因素对于三体问题相似性的影响排序。仿真表明这种分析方法对于实验系统的提高与实验方案的选择具有指导意义。     

小天体自主附着技术研究进展

基于国际上已实施的小天体探测任务和未来小天体附着探测技术的发展趋势,阐述了小天体自主附着的必要性及关键技术。首先回顾了已成功实施的小天体探测任务的特点,进而总结了小天体自主附着的难点问题,概括分析了小天体自主附着所涉及的关键技术及其研究进展,最后对未来小天体自主附着技术的研究热点和发展趋势进行了展望。     

基于广义Richardson外插方法的阻力预测精度分析

利用计算流体力学(CFD)方法预测阻力是飞行器气动设计中的关键环节。采用广义Richardson外插方法分别对数值方法预测二维简单构型的压差阻力、摩擦阻力和三维复杂构型的总阻力的精度进行了分析。在NACA 0012翼型无黏绕流和平板湍流边界层两个算例中验证了NSAWET程序和广义Richardson外插方法,分别得到数值算法预测压差阻力和摩擦阻力能达到的名义精度。进而模拟三维通用研究模型(CRM)翼身组合体绕流,得到的阻力名义精确值在DPW 5的统计误差带范围之内;综合DPW 5的计算结果来看,不同CFD解算器的结果之间存在一定差别,阻力预测精度总体上不符合二阶。可见,标准Richardson方法采用的二阶精度假设难以普遍适用,有必要采用广义Richardson外插方法得到名义精度。针对不合理的名义精度,采用Roache建议的方法加以限制。广义Richardson外插方法有助于提高误差分析的合理性,可以进一步降低网格对阻力预测的影响。     

系列嵌套圆环系统的能量吸收特性

能量吸收结构的性能对航空、航天等领域的人员和结构防护非常重要。针对一种系列嵌套圆环系统的能量吸收特性进行了理论、数值和实验研究。首先建立了考虑应变强化效应的系列嵌套圆环系统受刚性平板横向准静态压缩时的刚塑性理论模型;然后对双环和三环嵌套圆环系统进行了准静态压缩实验及有限元数值模拟,理论预测、数值模拟和实验测得的系列嵌套圆环系统的载荷-挠度曲线吻合很好;最后对将系列嵌套圆环系统应用到航空领域进行了探讨,以应用至航空座椅为例,建立了人体、座椅、能量吸收结构的数学模型,参照美国航空联邦局航空座椅动态实验标准,基于该模型计算得到了人体所受的腰椎负荷,并与不装备能量吸收结构时的腰椎负荷进行了比较,结果表明应用系列嵌套圆环系统可以有效地对人体进行防护。     

模型预混燃烧室线性稳定性分析

针对钝体火焰稳定器结构的模型预混燃烧室进行了线性稳定性分析.利用COMSOL Multiphysics软件求解了三维Helmoholtz方程,方程的源项为耦合指数-延迟时间模型.对模型预混燃烧室进行非定常计算得到了化学反应速率的周期性变化,确定了非定常热释放发生在火焰的尖端.由压力和温度信号的相位差得到了当量比为0.72,0.8,0.88,0.97四个工况的延迟时间,分别为0.6,0.3,0.9,0.6ms.线性稳定性分析得到了模型预混燃烧室系统纵向模态频率的实部和虚部,当虚部为负数时表示线性不稳定.结果显示:系统的前5阶纵向模态中,2~4阶是线性不稳定的.其中3阶纵向模态的虚部绝对值最大,它的物理意义是对小扰动的增长率最大.因此在有扰动时,3阶纵向模态最有可能线性失稳,产生燃烧不稳定性现象.