基于脉冲星导航系统的X射线探测器

X射线脉冲星导航中脉冲到达时间（TOA）是脉冲星导航系统中基本的测量量,其测量精度直接影响导航定位的精度。国内外对用于X射线脉冲星导航的探测器研究还处于探索阶段。通过比较不同类型探测器的特性,根据导航定位精度对探测器各项性能指标的要求,提出一种X射线探测器系统设计方案,为用于脉冲星导航的X射线探测器的研制提供一种参考。本方案用CCD作为探测器主体,整个探测器由光学结构、CCD及电子学系统组成。     

基于扩展卡尔曼滤波的X射线脉冲星相对导航方法

X射线脉冲星作为一种天然时间基准,具有良好的周期稳定性,在深空探测航天器自主导航方面具有重要的应用前景。针对绝对导航的整周模糊度求解问题和相对导航的预报相位、标称轨道存储问题,提出了一种改进的相对导航方法,将前一时刻的航天器位置作为相对导航基准,建立航天器轨道动力学模型,采用扩展卡尔曼滤波算法,确定航天器的位置。最后,进行了数学仿真研究,仿真结果表明:脉冲星相对导航改进方案的导航精度达到1 km,滤波器一致渐进稳定,能够快速抑制初始误差和轨道根数的干扰,验证了导航方案的正确性和可行性。     

基于记忆衰减滤波的X射线脉冲星自主导航

针对扩展Kalman滤波(Extend Kalman Filter, EKF)在处理X射线脉冲星的自主导航定轨问题上易发散的问题,本文提出了基于记忆衰减滤波的抑制发散自主导航算法。在研究了自主导航滤波中误差变化的特征的基础上,从原理上分析了预报误差随迭代次数增加而增大的原因。针对EKF存在的这一缺陷,本文应用记忆衰减滤波控制误差发散,推迟了误差发散的时间并减小了发散的幅值,使得滤波结果稳定于更精确的结果。本文的结论均通过数值计算的方法验证     

深空探测自主导航技术综述

深空探测自主导航技术在减少地面测控负担, 提高探测器的生存能力和扩展探测器的特殊应用潜力等方面具有独特的优势, 自主导航在国外的深空探测活动中已经成功验证并逐步开始在实际任务中应用, 未来的自主导航技术将成为深空探测技术发展的一种必然趋势. 由于我国测控资源有限, 在我国的深空探测规划中, 发展自主导航技术将显得更为重要. 在我国即将开展火星和小行星探测计划的背景下, 本文综述了国外深空探测自主导航技术研究状况, 以及在一些探测任务中的试验和应用情况, 并对每个探测活动进行了简要概括;其次, 本文调研了国外自主导航系统中所采用的光学敏感器设备;最后, 结合"深空1号"任务巡航段基于小行星的光学自主导航, 分析提出了深空探测自主导航中需要掌握的关键技术, 并对相应的技术在国内外研究情况进行了总结.     

基于脉冲星和小行星的组合导航在深空巡航段的应用

为提高航天器在深空探测巡航段的自主导航能力,提出一种利用脉冲星和小行星信息的自主导航系统.利用单X射线探测器测量脉冲星辐射的光子到达时间,利用导航相机获取小行星图像,经信号处理,获取脉冲星的脉冲到达时间和小行星中心点对应的像元像线,利用集中式扩展卡尔曼滤波算法进行状态估计,并修正星载时钟钟差.以美国“深空一号”任务深空巡航段轨道为例进行了仿真实验,仿真结果表明了该方法的有效性,能够完成深空探测器在巡航段的自主导航任务,同时,组合导航解决了基于小行星光学信息单独导航时的星载时钟钟差发散问题,且同光学导航相比,位置估计精度提高了57.18％.     

首颗脉冲星导航试验卫星及其观测结果

2016年,中国成功发射全球首颗脉冲星导航专用试验卫星——X射线脉冲星导航1号(XPNAV-1)。该卫星是一颗重量为243 kg的小卫星,其主要任务是测试X射线探测器性能,观测典型脉冲星和尝试验证脉冲星导航系统体制。目前,XPNAV-1卫星在轨运行状态良好,已实施4颗典型X射线脉冲星和4颗X射线双星观测,以及相关科学试验。主要观测结果包括三个方面:首先,通过观测数据处理,获得X射线光子的流量、能谱分布、时间间隔、周期特征和脉冲轮廓等重要观测结果,并建立蟹状星云(Crab)脉冲星的计时模型,其计时精度达到55.14μs;其次,XPNAV-1卫星捕捉到Crab脉冲星于2017年11月发生的一次巨大周期跃变事件,并对其恢复过程进行了长达4个月的监测;最后,采用新提出的基于法平面几何约束的脉冲星自主导航算法得到轨道确定精度为38.4 km。结果表明XPNAV-1卫星空间飞行试验达到预期目标,初步验证了脉冲星导航系统体制的可行性。     

基于微分进化算法的深空轨道全局优化设计

针对多目标多任务的深空探测轨道设计问题,提出一种新的将探测目标、探测方式、探测顺序以及发射窗口同时作为优化变量, 并采用微分进化算法进行全局优化的设计方法. 使用该方法在只考虑太阳中心引力作用的二体模型下,基于圆锥曲线拼接法建立第三届全国深空轨道设计竞赛问题的优化模型并进行求解. 最后利用该方法求解ESA的ACT研究团队的深空探测任务算例并对结果进行对比分析. 结果表明, 提出的全局优化设计方法对解决多目标、多任务深空探测轨道优化设计问题是可行和有效的.      

基于地平仪两轴姿态测量的卫星自主相对导航

针对近圆轨道编队卫星,提出了一种仅需要地平仪两轴姿态测量的卫星自主相对导航滤波方法,利用星间相对测量与偏航姿态运动的弱相关性,解决了欠偏航量测下的相对位置估计以及三轴姿态确定问题。可观性分析证明了该方法的可行性及对编队构型参数的适应性。大量仿真表明,对于绕飞和伴飞构型,该方法均收敛,性能特性与理论分析一致。针对当前典型的地平仪与星间测量能力,相对位置滤波精度均优于2 m(3σ),绕飞构型偏航姿态精度优于1.0°(3σ),伴飞构型偏航姿态精度优于0.5°(3σ),是对中等精度编队卫星配置简化的有益探索。     

单测角相对导航的相对距离重构新算法

针对空间非合作目标中远程交会的单测角相对导航技术中核心的相对距离重构问题,首次提出了一种基于初值辅助的CCD相对测角/GPS绝对定位的相对距离重构新算法。首先在分析传统重构方法数学本质和优缺点的基础上,以余弦定理为基础,结合GPS历元差分建立了相对距离重构算法模型,然后对该算法的重构误差进行了理论推导和仿真分析。最后对两种工况下相对距离的重构进行了数值仿真。仿真结果表明该算法能够较为精确的重构出相对距离,重构精度取决于辅助初值的精度。因此,该算法具有重要的研究意义和应用价值。     

基于闪光X射线照相技术的液体爆炸抛撒研究

闪光X射线照相技术相比于可见光高速摄影,具有曝光时间短、穿透能力强和能透视拍摄物体内部信息等优点。本文应用闪光X射线照相技术,对液体爆炸抛撒早期过程壳体材料变形破碎情况、液体受冲击压缩的状态等进行研究,获得了可见光高速摄影等其他测试方法不能得到的实验现象,结果表明:爆炸后液体介质存在密度不均匀区域,爆炸产物气体在不同介质中膨胀规律不同,以及冲击波通过不同介质作用于壳体时,壳体膨胀破碎机制不同。     

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主要介绍深空探测中的动力学与控制相关基础性问题，分析研究现状和发展趋势， 尝试提出新的研究课题.     

薄板动力学相空间非传统Hamilton变分原理与辛算法

将弹性薄板动力分析从Lagrange体系改换为Hamilton体系.通过罗恩提出的一条简单而统一的途径,建立了弹性薄板动力学的相空间非传统Hamilton变分原理,并从该原理推导出相应的Hamilton正则方程、边界条件与初始条件.然后基于这种相空间非传统Hamilton变分原理,提出弹性薄板动力响应分析的辛空间有限元-时间子域法,文中数值结果表明,这种方法的计算精度与效率都明显高于常用的Wilson-θ法和Newmark-β法.     

气动力辅助变轨与最优控制研究进展

低成本空间运输是实现人类对太空探索和开发的重要关键之一. 利用气动力的变轨技术, 在大气层的很多变轨任务中可以增加有效载荷质量. 气动力辅助变轨(AOT)和最优控制理论, 尽管早在20世纪60年代就已经开始研究, 但是到现今仍然处于发展中.特别是由推力协同变轨所导致的奇异最优控制问题到目前尚没有完全解决. 研究这些理论的目的是为了确立那些精确分析方法, 以确定在给定约束条件下的最佳策略. 从AOT轨道的精确控制需要和消除各种来源的误差影响看, 至关重要的是制导方案的研究. 一个历史的审视和对这个领域的最新研究都在本文里作出讨论, 由此AOT飞行器的未来研发将为人类开辟通向宇宙之路.      

A SINGULAR VALUE DECOMPOSITION BASED TRUNCATION ALGORITHM IN SOLVING THE STRUCTURAL DAMAGE EQUATIONS

The structural damage identification through modal data often leads to solving a set of linear equations. Special numerical treatment is sometimes required for an accurate and stable solution owing to the ill conditioning of the equations. Based on the singular value decomposition (SVD) of the coefficient matrix, an error based truncation algorithm is proposed in this paper. By rejection of selected small singular values, the influence of noise can be reduced. A simply-supported beam is used as a simulation example to compare the results to other methods.Illustrative numerical examples demonstrate the good efficiency and stability of the algorithm in the nondestructive identification of structural damage through modal data.     

复合含水层地区深基坑降水三维渗流场数值模拟——以上海环球金融中心基坑降水为例

长江三角洲分布有巨厚、松散的第四纪沉积层,地下含水系统为一复合含水层系统,深基坑降水一般采用非完整井,且由于深基坑周围连续挡水墙难以深入含水层底板,所以其地下水渗流场变化极其复杂,具有明显的三维流特征。本文以上海环球金融中心深基坑降水为例,采用数值模拟方法,模拟了在多层含水层复合存在、含水层最深底板埋深达149m、基坑周围挡水连续墙埋深达34m、基坑内地下水位降深达26m的情况下的地下水三维渗流场特征,并以此为据确定出了该基坑降水的最优化方案。