基于数据网格化方法的低轨辐射带建模技术

地球辐射带中的高能带电粒子是引起航天器材料和器件性能退化甚至失效的主要空间环境因素.因此,航天器设计中所采用的辐射带模型的准确程度对于航天器的生存能力和航天任务的完成质量至关重要.在利用我国自主辐射带高能粒子探测数据进行的辐射带建模中,探测数据的空间网格化是一项非常重要的工作.介绍了我国辐射带探测数据的情况,以及辐射带建模的方法和步骤;重点研究了不同插值方法在低地球轨道(LEO)空间辐射带建模数据网格化中的应用,并开展了误差分析.研究结果表明:在各种常用的插值方法中,反距离加权法、自然邻点法和最近邻点法适合工程化应用.其中,反距离加权法生成的数据网格对粒子通量的反演结果精度最高,该方法采用低阶距离时得到的反演结果更为合理.      

基于误差空间的航天器姿态反步容错控制

提出了一种基于误差空间的航天器姿态反步容错控制方法,以反作用飞轮作为航天器的执行器,在考虑反作用飞轮存在安装偏差及故障的情况下,仍可保证航天器姿态的稳定性。首先,基于Lyapunov稳定性原理,根据系统机械能变化构造了具有普遍性的Lyapunov方程。通过反步递推方法,得到了适用于航天器存在执行器偏差及故障情况的普遍性的容错控制方法;然后,通过误差空间拓扑所得的误差函数描述了势能误差。从几何层面上看,这是描述势能误差的最短路径选择,从而得到了基于误差空间的反步容错控制方法。因此,在对航天器进行姿态控制时,该方法可以迅速调整增益,使得系统姿态误差迅速收敛至零,从而有效减少系统响应时间;最终,通过对考虑执行器偏差及故障情况的航天器姿态控制系统使用不同的控制方法进行数值仿真,验证了该方法能够在执行器故障情况下依然保持系统姿态的稳定,且具备良好的响应速度。     

磁层顶通量传输事件的经验重构

在地球磁层顶附近观测到的通量传输事件（Flux Transfer Event,FTE）一般被认为是瞬态局域磁重联的产物,是太阳风质量、动量和能量进入地球内磁层的重要通道.重构FTE的磁场结构可促进对其形成、演化过程及其与周围等离子体环境相互作用的理解.Grad-Shafranov重构法和磁通量绳拟合法等传统磁场重构方法适用于满足特定物理条件的磁场结构.基于平面线性插值原理,设计了一种不受具体物理条件限定的二维FTE磁场结构重构法.模型测试以及对THEMIS和Cluster卫星簇分别观测到的两个FTE的实际应用表明,在合适的多卫星位形条件下,该方法能快速有效重构出FTE的磁场空间分布,有助于推测FTE的磁场线位形,理解卫星测量数据的时间变化,以及分析等离子体物理量相对于FTE的磁场空间分布特征.      

航天器近距离相对运动的轨迹偏差分析

利用相对可达区(RRD)的概念对航天器在脉冲闭环控制方式下相对运动的轨迹偏差进行了分析。相对可达区是对航天器可能出现位置集合的一种几何描述。当航天器的状态误差服从高斯分布时,相对可达区可表示为随时间变化的误差椭球的集合。考虑航天器飞行过程中存在的不确定性因素,基于闭环控制系统下线性化的相对运动动力学模型,采用协方差分析描述函数法(CADET)对定义航天器误差椭球的协方差矩阵进行了分析,给出了根据协方差矩阵求解相对可达区包络的计算方法。通过将开环和闭环控制系统下的相对可达区包络与1 000次的Monte Carlo仿真结果进行比较,证明了偏差分析方法的适用性与有效性。     

基于ICP的稳态部分可辨编队目标精细跟踪算法

针对稳态编队在部分可辨条件下精细跟踪的难题,提出了一种基于迭代就近点(ICP)的稳态部分可辨编队精细跟踪算法。首先将ICP算法思想应用于编队成员拓扑的点航关联中,将k时刻的位置状态估计通过最近点循环迭代逼近k+1时刻的量测,在关联判决时采用双门限原则应对部分可辨所带来的漏观测问题,以提高关联时的容错性能;进而采用概率最近邻对漏观测航迹进行填补,以进一步保证跟踪的可靠性;最后,采用多模型法实现编队成员航迹滤波更新,以保证航迹的跟踪滤波精度。仿真结果表明,与现有的基于模版匹配的编队目标跟踪算法以及经典的多假设多目标跟踪算法相比,该算法具有较高的跟踪可靠性与精度,且在编队拓扑发生缓慢变化时具有更高的正确跟踪率。     

多约束条件下月球南极探测返回窗口设计

针对月球南极探测任务,综合考虑中国地基深空测控系统现状、月球南极地区光照及地球再入终端等约束条件,利用月球反垂点概念,提出一种从环月轨道出发的三级返回窗口搜索策略.其次,提出一种改进多圆锥截线法,将月球非球形摄动加入到区间的轨道外推中,基于二级返回窗口对返回轨道进行了初步设计.给出以月球南极地区Shackleton撞击坑边缘一点为假定落点,于2020年自月球南极地区返回的仿真算例.仿真结果表明：一方面,窗口搜索方法可以有效解决多约束条件下的月球南极返回窗口设计问题;另一方面,改进多圆锥截线法作为一种初始轨道设计方法,可以有效减少再入误差,同时为后续高精度轨道积分提供良好初值.     

地月第二拉格朗日点卫星激光测距技术研究

介绍了月球/中继星激光测距的科学意义、研究状况和发展趋势;研究了地月第二拉格朗日点(L2点)纯反射式激光测距技术和任务设计,主要包含单体大孔径激光角锥反射器的设计与研制,以及基于云南天文台1.2 m望远镜的月球/中继星激光测距系统研究。研究结果表明:采用单脉冲能量3 J和10 ns脉宽脉冲激光器,预期系统能接收到的单脉冲回波光电子数约为0.74,单光子测距精度优于1 m。     

两点射流间隔时间对爆震波起爆特性影响的数值研究

为快速、短距起爆爆震波,本文基于H2/Air 8组分19步反应简化机理,采用两点射流点火的方法数值研究了不同射流管高度差引起的射流间隔时间对H2/Air混合物起爆特性的影响规律。采用与CEA计算结果及实验结果对比的方法验证了数值模拟的可靠性。结果表明,射流间隔时间对两点射流起爆有明显影响。一定射流间隔时间内可以成功起爆,但第一射流的衰减过程随射流间隔时间的增加而变长,不利于起爆。射流管的高度差使得射流管出口形成射流强度梯度,对射流强度的影响较小。射流管高度差ΔH的增加会加大两个射流之间的强度差,从而削弱射流相互作用。射流之间的相互作用受火焰面和压力面的共同影响,热点的形成更依赖于射流压力的相互作用。     

水下超声速气体射流线性稳定性研究

水下超音速气体射流稳定性是水下推进、水下焊接技术研究的焦点领域。通过建立线化小扰动气液混合流体控制方程,开展水下超音速气体射流线性稳定性研究。控制方程的形式表明射流基本流分布(速度与浓度分布)、雷诺数、无量纲密度、无量纲粘度能够影响水下超音速气体射流稳定性。使用Chebyshev配置点法对控制方程进行求解。计算结果表明射流基本流分布以及无量纲密度是影响射流稳定性的主要因素。射流基本流分布越平缓,射流最大扰动增长率越小;无量纲密度越小,即气液密度差越小,射流最大扰动增长率越小。随雷诺数增加,射流最大扰动增长率先减小后增加,当雷诺数大于105时,射流最大扰动增长率趋于常数。对不同无量纲粘度,射流扰动增长率-特征波数曲线高度重合。同时分析了射流不同截面的稳定性特征,计算结果表明射流最大扰动增长率随距喷口距离增加而减小。这些结论有助于理解水下超音速射流物理过程,为实际应用提供理论指导。     

风力发电机输出功率条件子集区间估计方法

根据风力发电机的风速和输出功率历史数据,对风机输出功率均值与风速的关系进行最小二乘参数辨识,以此为基础求出风机输出功率偏差与风速的关系。采用Python概率分析确定风机输出功率偏差各子集的概率分布类型,估计其特征参数,以求出其概率密度函数,进而对风机输出功率偏差进行概率置信区间预测。基于风机输出功率均值与风速的关系和风机输出功率偏差子集的置信区间估计模型,实现了根据风速预报值对风机输出功率的置信区间进行预测。用实际风机的历史纪录对所提方法进行了测试和验证。结果表明:基于风速将风机输出功率偏差划分成多个子集,可提高风机输出功率概率置信区间预测的精准度。