利用"火星快车"三程多普勒跟踪数据限定局部洛伦兹不变性

目前航天器的三程多普勒跟踪技术已经在深空探测的控制与导航领域起到了重要作用。利用包含了对局部洛伦兹不变性(LLI)以及局部位置不变性(LPI)原理有破坏的三程多普勒跟踪理论,研究分析了"火星快车"(MEX)三程多普勒跟踪数据的残差。这些多普勒观测于2009年8月7日和8日进行,利用了欧洲航天局(ESA)在澳大利亚新诺舍(New Norcia)的上行站和三个分别在中国上海、昆明以及乌鲁木齐的下行站。我们发现,这些观测结果给出的LLI上限在10-2的量级。但由于各观测站本身对频率测量的精度有限,这些数据并不适合于检验LPI。     

利用H.264中运动矢量实现运动目标检测

针对视频压缩和运动目标跟踪同时实现的应用,通过研究H.264压缩标准中运动矢量包含的图像运动信息并分析运动估计原理,提出了一种利用视频压缩中的运动矢量信息实现运动目标检测的方法,确立了H.264编码流中运动矢量与场景中物体运动状态的对应关系.将运动目标从背景中分离是检测算法的核心.对于双门限值的设置,可分离不同运动速度的目标;同时,算法排除了背景运动的干扰,因而可应用于摄像机运动的场合;由于检测算法所用的运动矢量直接来源于H.264编码过程,而大大降低了计算复杂度,利于硬件实现.     

火星探测直接转移轨道精确求解研究

针对火星探测直接转移轨道精确求解问题, 提出了一种快速微分修正算法. 基于二体模型建立控制参数和目标参数偏差关系的数学模型, 并由此求解系统的偏导数矩阵; 采用B平面参数作为中间变量, 对算法进行两层迭代设计, 有效地减少了求解过程中的积分运算次数. 以2018年火星探测机会为例对算法进行了验证, 仿真结果表明, 利用圆锥曲线拼接法得到的轨道初值, 求解一条标准轨道只需6~9次积分迭代. 通过STK对计算结果进行了对比和验证.      

高速摄像三维图像分析技术与应用

高速摄像是光学测量的重要手段。分析了高速摄像三维图像分析技术的处理过程,重点讨论了像机标定、自动目标检测与跟踪技术、多目标匹配技术和三维姿态测量技术等关键环节所面临的问题及解决方法,并以无人机回收测量系统为例说明了高速摄像三维图像分析技术在无人机位姿参数测量中的应用,对构建高速摄像测量系统提供了参考。     

火星大气进入段抗饱和固定时间阻力加速度跟踪制导律设计

研究了具有固定时间收敛特性的火星探测器大气进入段的标称轨迹跟踪制导问题。首先,针对横向运动,给出与速度成线性关系的航向误差漏斗走廊形式,完成了倾侧角的反号逻辑设计。与横程漏斗走廊反号逻辑相比,该逻辑计算量小,更适用于宇航计算机。与航向误差宽度走廊反号逻辑相比,该逻辑在高速状态下能够避免倾侧角的频繁切换,可提高任务成功的概率。其次,针对纵向运动,通过RBF神经网络补偿了倾侧角饱和问题,利用积分滑模设计了阻力加速度固定时间饱和跟踪制导律,其不仅可有效消除滑模控制的抖振问题,且将跟踪误差以两种不同形式引入制导律,能够加速收敛,能够保证跟踪误差在固定时间内快速收敛至0。最后,通过数值仿真验证了所设计的横向倾侧角切换逻辑和纵向制导律对标称轨迹的快速、精确跟踪能力。     

对失效卫星特征点的自适应位姿跟踪控制

为满足对失效卫星上某个特征点位置悬停的同时使追踪星上敏感器指向该特征点,展开了对失效卫星特征点与追踪星间相对动力学建模与控制的研究。在追踪星本体坐标系下建立了六自由度相对位姿动力学模型,并结合失效卫星上特征点的运动规律,给出追踪星的期望跟踪位置和期望跟踪姿态。考虑到追踪星质量、转动惯量、系统所受扰动力、扰动力矩及失效卫星转动惯量的不确定性,设计了复合自适应位姿跟踪控制律,并通过Lyapunov法证明了闭环系统稳定性。对输出受限情况,采取设计控制参数调节过程及输出限幅措施。在仿真条件下,系统在自适应控制律下能够以位置误差约1cm、姿态误差约0.01°完成位姿跟踪任务;增大不确定参数偏差后,位置跟踪误差增至约7cm,姿态误差增至约0.1°;对控制参数进行调节后,可在不影响跟踪精度的条件下在指定范围内限制输出幅值,将幅值限制在指定范围内,并减小控制所需冲量的9%和冲量矩的30%。     

基于加权鉴别函数的二进制偏移载波信号跟踪方法

在移除二进制偏移载波（Binary Offset Carrier,BOC）信号跟踪模糊的同时,为了保持BOC信号高的码跟踪精度,提出基于加权鉴别函数（Weighted Discriminator Function,WDF）的BOC信号无模糊跟踪方法。WDF使用非相干超前减滞后功率（Noncoherent Early Minus Late Power,NELP）鉴别器和子载波相位消除（Sub Carrier Phase Cancellation technique,SCPC）鉴别器,生成无误锁点的鉴别函数实现BOC信号跟踪。针对BOC(10,5)信号,仿真结果表明,相比于SCPC、基于伪相关函数的无模糊延迟锁定环（Pseudo correlation function based Unambiguous Delay Lock Loop,PUDLL）方法和对称脉冲模糊移除（Symmetrical Pulse Ambiguity Removing,SPAR）方法,所提WDF方法在码跟踪误差方面分别改善了2.5dB、5.5dB与8.3dB,多径误差分别降为60.4%、32.8%与38.0%。因此,WDF是一种有效的、高性能的BOC信号无模糊跟踪方法。     

考虑失效性故障的火星探测器进入段姿态容错控制

火星进入过程中的故障和外部干扰不可避免地降低了火星进入制导和控制算法的性能。利用反步法设计了一种对转动惯量信息变化不敏感的火星进入姿态容错控制算法。首先,将虚拟控制律的微分量视作干扰量,利用自适应技术对其进行补偿,避免了传统反步法微分爆炸的缺陷。同时,控制设计过程中显式地引入了饱和函数,保证了在存在输入饱和的情况下,控制律仍然能使得探测器姿态保持稳定。最后,以“火星科学实验室”探测器为模型进行了数值仿真验证,结果表明该控制律在存在输入饱和约束、转动惯量不确定性、执行机构部分失效甚至完全失效的工况下,仍然能够完成对姿态的精准跟踪。