基于单探测器的X射线脉冲星深空导航算法

提出一种基于单探测器的X射线脉冲星深空导航算法.该算法利用单个X射线探测器在不同时刻的观测数据来构建观测模型,因此航天器不必搭载多个X射线探测器,大幅降低了X射线脉冲星深空导航系统的质量和功耗.针对不同的观测方案,利用线性化可观性分析方法对导航系统进行了可观性分析.分析结果表明,航天器应当分时段观测不同的脉冲星来提高导航性能.最后,给出了相应的仿真算例.仿真结果表明利用该算法能获得与传统算法相近的导航精度.      

利用小行星视线矢量的火星探测光学自主导航研究

结合我国即将开展的自主火星探测计划,研究了航天器在火星探测巡航过程中利用小行星进行光学自主导航的整个过程. 根据巡航段的设计轨道,给出了导航小行星的筛选条件并筛选出可用于实际任务的导航小行星序列. 将自主导航的数据弧段长度设定为30d,数据观测周期为5d. 采用加权最小二乘滤波算法,当数据弧段长度为30d时,导航计算的位置误差在100～400km变化,速度误差不超过0.25m/s.      

深空探测中的动力学与控制

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.     

2005-2009年国际深空轨迹优化竞赛综述

结合本课题组连续四次参加国际深空轨迹优化竞赛的经验, 依据竞赛主办单位公布的竞赛资料和相关国际学术研讨会的报告, 该文分别介绍了四届竞赛的工程应用背景和具体设计内容, 分析各优胜队的解决方案和技术特点, 包括小行星序列的确定、引力甩摆的运用、最优控制理论的应用、优化算法开发、优化软件的应用等. 通过分析对比, 总结了我们与其他代表队的理论和技术差距, 提出了对相关研究生教学和科研的启示, 给出了今后发展深空探测技术的建议.     

封面说明:首届全国深空探测竞赛

由中国力学学会、清华大学航天航空学院共同举办的``首届全国深空轨道设计竞赛颁奖大会 暨专题研讨会'于2009年5月16日在清华大学逸夫楼举行. 中国力学学会理事长李家春院士与会讲话与颁奖。李院士在发言中强调深空探测是未来各国 航天界重点发展的方向,是一个国家综合国力、整体技术实力的体现,在深空探测任务中, 力学扮演着举足轻重的角色. 该项竞赛活动为大学生、研究生提供了一个深入研究和探讨的 平台. 希望通过该项竞赛活动,为我国的深空探测领域选拔和储备后备人才. 首届竞赛的题目为``小行星探测轨迹优化设计问题',共有来自全国各地的33支队伍报名参 加. 深空飞行轨道的时间尺度很大、优化方法多样、可选的方案组合广泛,存在很多可行解, 寻找其中的最优方案是深空探测轨道设计的核心问题之一. 竞赛问题将主要考虑深空探测任 务轨道设计中的全局优化问题,模型参数将结合工程实际背景选取. 竞赛形式为公开发布题 目,根据性能指标的优劣评判名次. 本次竞赛从3月5日公布题目,要求5月16日前提交结 果,之后组织专家对各队提交的结果进行审核复算,最后评选出中科院光电研究院的参赛队 获得本届竞赛的冠军. 亚军、季军分别是来自西安测控中心、国防科技大学的参赛队。竞赛 活动优胜者获得奖杯与荣誉证书.(图文供稿:高云峰,宝音贺西,李俊峰,清华大学航天航空学院,北 京 100084)     

地磁/天文自主导航算法

针对基于轨道动力学方程的天文导航方法的局限性问题,提出了一种利用天文/地磁信息进行飞行器自主导航的方法,建立了适用于一般飞行器的动力学方程,并推导了系统的观测方程。算法采用地磁/星光矢量间的夹角作为观测值,采用扩展卡尔曼滤波方法估计飞行器的位置和速度。应用奇异值分解的方法对系统的可观测性与可观测度进行了分析。仿真结果表明该算法的导航精度较高,滤波收敛性、稳定性较好,误差不随时间累积。可用于惯性导航的辅助导航或对导航精度要求一般的场合。     

2010年国际深空探测轨道优化竞赛的清华大学解法

介绍作者对国际深空探测轨道优化竞赛问题的解法, 包括全局优化方法和小推力局部优化方法. 全局优化主要采用分枝定界法, 需要求解一系列Lambert问题. 局部优化采用基于同伦方法的间接优化方法, 对协态变量初值进行了归一化, 在数值积分时构建了开关函数检测方法以保证积分精度. 最后结合连续五次参加国际竞赛的经验和体会, 给出深空探测轨道设计方面的研究展望.     

自主着陆/着舰技术综述

面对韩美军演、保钓争端等日趋严峻的国际形势,建设强大国防的必要性不言而喻。发展高科技武器,建设强大的海上力量是维持我国周边地区稳定的有效手段。对航空母舰相关技术的研究已经成为目前的热点问题。在对比介绍了陆基飞机和舰载飞机自主降落技术的优点和发展情况之后,从下滑轨迹和导航方式两方面论述飞机降落技术的研究动态,最后对自主着陆/着舰技术进行展望,提出值得继续研究的4个方面,重点指出利用信息融合技术对包括视觉、雷达及其它相关传感器信息进行融合处理是未来飞机降落技术发展的必然趋势。     

深空天文测速自主导航速度矢量合成误差传递分析

针对深空天文测速自主导航系统速度矢量合成过程中的误差传递问题,推导了视向速度测量误差与定速误差统计特性之间的映射关系,获得了当测量误差满足零均值高斯分布时的定速误差概率密度函数,给出了在特定条件下定速误差均值与方差的解析表达式。理论与仿真分析均表明,当三个恒星视线方向两两正交时,测量误差对定速误差的影响达到最小,仿真结果还给出了目标恒星夹角对误差传递的影响,这些研究结果可为测速导航系统的目标选取提供理论依据。     

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。     

连续小推力航天器的深空探测轨道优化方法综述

连续小推力作用下航天器的深空探测轨道的优化设计是一个存在大量局部最优解的全局优化问题. 轨道设计流程总体上分为全局优化和局部优化. 全局优化为粗略设计, 通常在对航天器受连续推力作用下的轨道作近似处理的前提下大致确定探测序列和时间节点. 局部优化方法可分为直接法、间接法和混合法. 直接法是将连续的问题离散成一个参数优化问题. 间接法是求解由变分法和极大值原理推导的满足一阶最优必要条件的两点或多点边值问题. 混合法利用间接法推导的方程, 再离散后优化求解. 本文综述当前轨道优化设计领域最新和最常用的方法, 分析各种方法的优缺点.     

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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.     

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     

AUTONOMOUS NAVIGATION OF PROBE BY X-RAY PULSARS BASED ON FADING MEMORY FILTERING

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     

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.      

材料力学教学深层互动探索与实践

大学课堂教学中影响教学质量的主要问题是学生的学习态度,如何调动学生学习的积极性,是每位任课教师需要深入思考的问题。本文以材料力学课程教学为载体,结合管理学中的二八定律,以大学生力学竞赛为契机,研讨教师与学生之间的深层互动交流问题。深层互动分为课程授课中的互动和力学兴趣小组的互动两个层次,通过互动一方面为优秀学生打开上升通道,另一方面将优秀学生树为榜样,潜移默化中影响其他学生的学习态度,进而改善整个班级的学习风气。实践表明,深层互动教学模式能有效激发学生学习材料力学的兴趣,取得了良好的教学效果。

     

第十二届全国（中国）空间轨道设计竞赛：地月空间助力火星移民和近地小行星探测

本文首先简要介绍了全国（中国）空间轨道设计竞赛的发展概况和第十二届全国（中国）空间轨道设计竞赛题目的研究背景。然后介绍并解读了“可重复使用地火运输空间站火星移民”“可重复使用探测器飞越探测近地小行星”两组竞赛题目,回顾了竞赛组织历程,分析了竞赛最终提交结果。最后简要陈述了赛后交流和研讨情况以及总结和展望。此外,文中各章节对本竞赛区别于其他学科竞赛的若干特色也进行了简要陈述。

     

碎石堆小行星的散体动力学建模与仿真方法综述

探测小行星将是未来几十年内航天界的研究热点. 现有资料表明小行星多为疏松多孔的碎石堆结构,易受探测活动的影响而破碎瓦解,因此对其探测必须先进行动力学建模,研究探测活动与小行星结构的相互作用,确保探测任务顺利执行. 在中国即将开展小行星探测任务的背景下,调研分析了散体动力学的研究和发展情况;并根据国内外的相关研究,对目前碎石堆小行星动力学模型与数值模拟方法的研究进行了综述;最后,结合小行星探测的应用背景,总结了小行星散体动力学模型中需解决的关键问题.