基于实验测量与OCS仿真计算的卫星光学散射特性对比验证

卫星的光度数据与卫星的姿态、材质、观测角度等多种因素有关,仿真计算往往无法获取这些因素,导致仿真计算结果无法与实测进行对比.针对仿真结果无法通过实测进行验证的问题,结合卫星工具箱中卫星运动场景,分别通过实验测量与仿真计算获取卫星光学散射特性的时序数据.实验测量中,在实验室内模拟太空光学环境,实现实验过程中卫星模型姿态与卫星工具箱中卫星姿态的并行分析,保证了测量的准确性.仿真计算中,采用基于前期空间目标常用材质双向反射分布函数实测数据拟合出的双向反射分布函数模型,且考虑卫星表面材料褶皱对空间目标光学散射特性的影响,提高仿真精度.此外,设计了一个轨道参数为:半长轴a=7 716.14km,偏心率e=0.001,轨道倾角i=58°,近日点幅角ω=36°,升交点赤经Ω=345°,平近点角M=231.1°,相位角变化范围为38°~98°的三轴稳定卫星运动场景,通过实验测量与仿真计算获取该场景下卫星的光度数据,发现二者趋势相同,幅值相近,相关系数为0.69.     

基于热管网络的近地圆轨道通信卫星热控技术

大倾角近地圆轨道通信卫星外热流复杂多变,整星热耗大且对地面热流集中,因此其热控设计难度较大。本文以非箱式构型小卫星为对象,研究近地圆轨道通信卫星的热控技术。文中分析了大倾角近地圆轨道的外热流情况,各个舱板的外热流稳定性均较差,无法选取固定的散热面。本文提出了优化组合散热面并采用三维热管网络耦合散热面的热控技术,实现整星2200 W(对地面1500 W)的散热能力。文中利用热分析软件建立了整星的有限元模型,并对极端高低温工况进行了仿真分析,模拟结果表明上述热控技术可满足卫星散热需求。     

带噪声模拟仿真星图的实现

本文对星敏感器的姿态参数进行仿真计算,实现了观测星的提取及星图模拟。根据二维高斯分布模型对星点进行灰度弥散;考虑了噪声等因素的影响,实时模拟星敏感器在轨状态下拍摄星空的真实星图。实验证明,通过仿真模拟在轨运行卫星所拍摄的星图,可以为星敏感器星点提取、星图识别、姿态解算等功能算法提供验证。     

基于全等聚光面太阳翼接收太阳辐射的特性

针对太阳翼工作特征,设计了一种截断复合平面聚光器,并通过耦合实时日地距离、地星空间关系以及太阳辐射理论,构建了太阳翼接收太阳辐射模型。研究采用编程计算、仿真模拟和实验验证相结合的方式,结果表明复合平面聚光器的聚能特性与理论预测结果趋于一致。电池板表面太阳辐照度平均绝对误差仅为0.04 W/m²,卫星受晒特征时间平均绝对误差为18.2 s。太阳翼理论发电功率峰值相较于常规太阳翼提升了约87%,且接收半角内电池板表面能流密度平均均匀度达到了0.615。研究结果可为太阳翼的结构设计与优化提供参考。     

掩星状态下的太阳形状及强度的理论及数值分析

提出了一种掩星状态下获得太阳形状及强度的方法,并进行了理论推导,建立了数值仿真模型。建立了无大气折射效应下的太阳形状及强度矩阵,并以此作为参考,通过阿贝尔积分公式及折射率垂直剖面反演得到经大气折射后的太阳像面任意位置处的大气弯曲角,根据弯曲角计算得到掩星后太阳像面各个点位置相对于不发生掩星时的位移,根据参考像面即可得到掩星后的太阳像面形状及强度矩阵。 仿真结果表明,采用此模型能实现掩星状态下,不同轨道位置,任意切点下的太阳形状及强度分布。 同时,以卫星轨道高度600 km作为仿真算例,模拟获得了从5~60 km不同正切点高度位置处相应的太阳形状及强度分布,并且仿真得到了云层遮挡下的太阳强度分布图。此模型对应用于卫星姿态部件的测试标定、遥感技术及材料测量等领域,实现能够较为真实地反映太阳形状及强度的太阳模拟器,具有较高的参考价值。     

偏瘫患者辅助下肢外骨骼设计与仿真分析

针对偏瘫患者外骨骼康复机器人降低外骨骼质量的要求,设计了一种辅助下肢外骨骼机器人,采用柔索驱动的膝关节,具有结构简单,质量轻的特点。同时利用ADAMS建立了外骨骼关节柔索驱动的动力学模型,绳索模块建立了柔索驱动模型,通过Ariel生物运动分析软件,采集髋、膝、踝关节运动数据,运用Spline函数进行了仿真分析。经过仿真分析柔索驱动在上台阶运动过程中的不同拉簧预紧力和拉簧刚度下传动特性和驱动力矩,为进一步研究设计下肢外骨骼提供依据。     

真实场景下模拟器卫星可见性研究

随着信号模拟器的发展,载体的运动模型越来越复杂,给出了一种在真实复杂的场景下载体自驾车行驶的过程中卫星可见性判断的方法。利用Global Mapper软件处理网上下载的数字高程信息,提取真实场景中的山脉等障碍物的位置和高度信息。载体行驶过程中,地图API会结合实际路况和真实的地形地貌状况规划出一条合理的自驾车行驶路线。针对载体不断运动过程中的每个位置,实时的计算山脉等障碍物和卫星相对载体的仰角,判断载体每个位置上该卫星是否可见。通过比较考虑地形地貌因素和不考虑地形地貌因素两种实验条件下,对比障碍物和卫星相对于载体的仰角大小,模拟器求解出可见卫星数量变化,用实验结果分析并验证了研究方法的正确性     

一种星敏感器主点和焦距的加权在轨标定方法

星敏感器作为卫星姿态测量装置,其在轨服役过程中,主点和焦距的标定精度是影响其姿态输出精度的主要因素。针对标定过程中含有随机测量噪声偏大的星像点,导致星敏感器主点和焦距的标定结果产生较大偏差的问题,提出了一种星敏感器主点和焦距的加权在轨标定方法。该方法首先建立了星敏感器在轨标定模型,然后引入合理的标定权值,加入到最小二乘估计主点和焦距的过程中,寻找并剔除随机测量噪声偏大的星点,最后将加权估计出的结果作为测量,采用扩展卡尔曼滤波对星图进行处理。仿真结果表明,在星点位置存在较大误差的情况下,该方法能剔除随机测量噪声偏大的坏点。星内角距统计偏差约为传统方法的1/10,与真值相比标定参数精度分别为0.219 9像素、0.148 7像素、3.38 μm。     

干涉成像光谱仪受卫星振动影响的仿真与分析

在干涉成像光谱仪扫描过程中,卫星姿态的不稳定性将严重影响光谱成像质量。针对该问题,在分析干涉成像光谱仪光谱成像退化机理的基础上提出了一种微分动态成像仿真方法,以此来模拟光谱成像退化过程。并提出了平均掺杂比的概念,通过它建立起卫星姿态俯仰、侧滚和偏航的运动参数与其对光谱成像影响之间的桥梁,详细推导了这两者之间的定量关系。以环境资源卫星提供的遥感数据为例进行了退化仿真,结果表明平台振动不仅影响光谱成像的空间分辨率,更会带来光谱失真,且相邻像元光谱差异较大的区域影响较大。通过仿真数据分析,对卫星姿态稳定精度提出了要求,给出了必须重视振动影响并需要采取相应补偿措施的姿态稳定度条件。     

星载可见光相机成像仿真建模研究

针对星载可见光相机成像模拟在逼真度和灵活性方面的综合仿真应用需求,研究并提出了一种以三维场景为基础,以光线追踪技术为主要渲染核心,综合考虑卫星轨道和姿态、光照条件、物体光谱特性和周边环境、大气传输、遥感器成像性能等影响因素的全光路成像模拟技术的仿真模型,文中首先从完备性及可扩展性的角度尝试建立了成像仿真系统的综合模型框...     

基于光学散射特性的失稳空间目标旋转分析

本文提出了基于光学散射特性的失稳空间目标旋转速率实验模拟方案以及数据处理方法,解决了失稳空间目标旋转速率反演的问题。实验构造了模拟真实光学观测的测试系统,使得卫星模型姿态、太阳方位、探测器观测角均与STK模拟场景相同,并模拟了低轨STSS卫星失稳条件下的探测过程,获取了多个周期的探测数据。通过频谱分析法、自相关法、交叉残差法处理实验数据,发现三种方法都可以成功反演出卫星模型的旋转速率,但交叉残差法受干扰较小,结果更准确。通过本文的工作,为今后通过光学散射特性反演真实卫星旋转速率提供了依据。     

Control and synchronization of Chaotic Attitude Control of Satellite with Backstepping controller

A backstepping control system is proposed to control and synchronize the attitude dynamics of a satellite subjected to deterministic external perturbations which induce chaotic motion when no control is affected in this paper. The proposed method is a systematic recursive design approach based on the choice of Lyapunov functions for constructing feedback control laws. The effectiveness of the proposed control scheme is verified by the simulated results.     

基于光学相关的空间相机像移测量方法研究

为了测量由卫星姿态不稳定或振动等原因引起的空间相机的亚像元像移,使用了光学联合变换相关的方法对安装在相机焦面上的辅助面阵CCD采集到的相邻两帧图像进行相关运算.给出了使用该方法测量像移的原理,提出对联合变换相关器的输入面采用拉普拉斯卷积核进行边缘锐化,对功率谱相减并以0值进行二值化的处理方法提高像移测量准确度,并使用该方法对不同信噪比下的不同景物进行了像移测量仿真.结果表明:对于信噪比SNR=1的输入图像,当像移范围在 0~55个像元内时,该方法的像移测量误差小于0.2个像元.     

TDICCD相机的卫星姿态稳定度确定

为解决卫星平台振动造成的图像质量下降问题,提高TDI CCD相机成像质量,分析了卫星姿态稳定度的范围及影响。讨论了卫星平台振动与TDI CCD成像质量的相关性,推导了卫星平台姿态稳定度和像移的关系公式,得出TDI CCD相机对卫星姿态稳定度的要求与轨道高度以及积分级数有关。实验验证了公式推导,结果显示：轨道高度越高,积分级数越大,对卫星姿态稳定度的要求就越严格。数据表明：轨道高度在200～1000 km变化时,对卫星姿态稳定度的要求从0.0377 rad/s提升至0.00635 rad/s;TDI CCD 相机的积分级数在1～100间变化时,对卫星姿态稳定度的要求从0.014 rad/s提升到0.00014 rad/s。本文工作确定了卫星姿态稳定度和轨道高度以及积分级数的关系,有助于TDI CCD成像质量的提升。     

球面阵列LED太阳模拟器光学系统设计

针对氙灯太阳模拟器光电转换效率低、寿命短、辐照强度低,均匀性差等不足,基于LED太阳模拟器光学系统,提出了一种球面阵列LED太阳模拟器光学系统,包括准直光学系统、匀光系统以及光源系统的设计方法。利用同轴透射式光学系统技术设计了双分离结构的准直光学系统, 在分析比较常用匀光系统的性能与组成形式的基础上,阐述积分器与视场光阑的设计过程, 然后基于球面光源的设计思想完成光源系统的设计, 利用LightTools光学设计软件对LED太阳模拟器光学系统进行仿真分析与验证。实验结果表明:球面阵列LED太阳模拟器在工作距离100 mm,输出辐照面积为100 mm×100 mm范围内,其辐照强度大于1 100 W/m2,辐照不均匀度优于3.86%。     

卫星太阳能电池阵破损自动检测系统的研究

介绍了国内首次研制的卫星太阳能电池阵破损自动检测系统的检测原理、系统结构与设计及现场试用结果。系统采用专用照明系统,电池阵列经光学系统清晰成像至CCD传感器上,经信号放大、A/D转换后输入计算机管理和控制系统。图像传感探头自动扫描整块电池板,并由距离传感器控制,始终保持采集图像清晰。利用特有的系统控制和检测软件,处理每幅电池图像信息,检测结果通过列表形式给出损伤电池的位置、破损类型、破损度等参数。现场试验结果表明:该系统的检出率达98.5%以上,检测速度为每分钟20片电池,达到了快速、高精度、自动化检测太阳能电池阵的使用要求。     

微光凝视成像曝光自适应研究

为实现高分视频卫星微光条件下对目标进行长周期凝视曝光成像,设计了适应凝视跟踪稳像姿态变化的自适应曝光周期算法.建立卫星对地实时凝视跟踪数学模型,搭建矢量映射的速度匹配曝光成像关系,利用蒙特卡洛方法对卫星三轴姿态角和姿态角速度控制准确度在微光成像曝光时间内引起的像移量进行统计计算,分析了一定姿态控制准确度下满足高分卫星微光成像的曝光周期.最后,利用灵巧验证卫星进行微光成像曝光周期自适应稳像姿态的在轨试验.结果表明,卫星姿态控制准确度分别为0.08°与0.0088°/s和0.04°与0.003°/s时,对应的成像曝光时间分别为18ms和55.2ms,通过对微光成像的目标点进行分析,曝光过程中成像目标点的实际偏差像元量小于1个像元,此偏差对成像质量影响较小,成像影像的信噪比高.     

基于高次余弦散射分布的空间卫星可见光特性

基于几何光学和辐射理论,研究了空间卫星的可见光散射特性.空间卫星的背景辐射主要包括太阳的直接辐射和地球及大气的散射辐射,根据目标的结构特性与背景特性建立了空间卫星的几何模型和光照模型.分析目标表面状况,入射到目标表面的光线近似服从高次余弦散射分布,根据能量守恒定理及表面材料的高次余弦散射分布特性建立了目标散射特性的数学模型.通过矢量坐标变换确定太阳、地球、观测卫星在目标本体坐标系下的相对位置关系.根据给定的几何尺寸和表面物性参量仿真获得了目标在探测器入瞳处的能量分布及星等特征,目标本体与太阳帆板在探测器入瞳处的辐照度最大量级均为10-12 W/m2.仿真结果表明太阳帆板在目标特性分析时不可忽略,为空间目标的可见光探测提供参考数据.     

卫星太阳能电池阵破损自动检测系统的研究

介绍了国内首次研制的卫星太阳能电池阵破损自动检测系统的检测原理、系统结构与设计及现场试用结果。系统采用专用照明系统,电池阵列经光学系统清晰成像至CCD传感器上,经信号放大、A/D转换后输入计算机管理和控制系统。图像传感探头自动扫描整块电池板,并由距离传感器控制,始终保持采集图像清晰。利用特有的系统控制和检测软件,处理每幅电池图像信息,检测结果通过列表形式给出损伤电池的位置、破损类型、破损度等参数。现场试验结果表明:该系统的检出率达98.5%以上,检测速度为每分钟20片电池,达到了快速、高精度、自动化检测太阳能电池阵的使用要求。