基于嫦娥四号月球车图像的地形遮挡高精度预报试验研究

为进行天际线遮挡角的准确预报,提出了月球车图像的地形遮挡角高精度计算方法.首先阐述了月球车图像的地形遮挡角预报流程,然后重点分析了月球车相机在轨几何标定、基于闭合区域网平差的月球车相机在轨位姿参数估计、月球车位姿参数高精度计算和天际线自动提取等关键技术.最后,通过我国嫦娥四号月球车的专项试验,验证了月球车图像的地形遮挡角高精度计算方法具有较高的地形遮挡角预测精度和应用稳定性.     

嫦娥三号巡视器GNC及地面试验技术

嫦娥三号巡视器是我国首个实现地外天体表面巡视探测的航天器,其制导导航控制（GNC）技术与地球卫星和飞船等全然不同.嫦娥三号巡视器GNC系统突破了月面自主导航定姿定位和协调运动控制、基于双目立体视觉的自主环境感知、基于地形通过性量化分析的路径规划、基于主动结构光被动视觉的激光探测避障以及地面试验验证等关键技术.在轨飞行试验结果表明,GNC系统实现了既定任务目标,为未来火星等深空巡视探测任务奠定了技术基础.本文对巡视器GNC系统的任务要求、系统组成、功能实现方案及关键技术、工作模式、地面试验验证及在轨飞行情况等方面进行了系统介绍.     

飞行器GNC试验子系统新技术及验证

飞行器GNC试验子系统是月地高速再入返回飞行器制导导航与控制(GNC)分系统的3个子系统之一,由中心控制单元、小型星敏感器、星敏防尘机构3台新研产品组成.同时,飞行器GNC试验子系统也是探月三期着陆上升组合体GNC子系统的一个产品子集.为满足探月三期的重量与功能需求,中心控制单元采用了可编程片上系统(So PC)技术进行集成化设计以减轻重量,并为适应空间辐射环境进行了多重防护设计;小型星敏感器采用非球面光学系统及高速处理电路等技术有效地减少了产品重量;星敏防尘机构以微型步进电机为核心,优化了结构、阻尼等细节设计,在满足功能要求的同时做到了重量的优化.为了更为真实地利用飞行器任务对上述产品进行在轨验证,设计了一种"虚拟卫星控制系统"的在轨验证方法,在试验子系统没有执行机构和真实受控的航天器对象的条件下,构造了被试验产品的在轨闭环验证环境.本文详细介绍了上述新研产品的关键技术和系统验证方法,并结合在轨验证情况给出了新研产品的验证结论.     

天宫一号基于控制力矩陀螺的智能多模自适应姿态控制系统设计与验证

天宫一号是目前我国在轨运行的体积最大、重量最重的载人航天器.它具有变构型、变参数的特性,采用控制力矩陀螺系统和喷气推进系统实现高精度、高稳定度姿态控制.本文通过对天宫一号控制对象参数缓变和跳变相结合特点的分析,规划了高可靠灵活的控制策略,设计了智能多模自适应姿态控制系统.利用智能控制中规则集设定多模自适应控制的指标切换函数分配,利用多模自适应控制算法建立多模型控制器实现不同控制对象,不同控制任务的姿态控制.天宫一号通过地面测试和物理仿真试验,最后发射在轨运行,与神舟八号、神舟九号、神舟十号载人飞船圆满完成交会对接任务,充分验证了姿态控制系统设计的正确性和有效性.该设计方法在解决大型航天器变构型、变参数组合体姿态控制方面有突出优点,在未来的载人航天领域空间站建设具有应用前景.     

星敏感器星点聚类提取方法

星敏感器现有的星点提取方法运算时间长、存储需求大,从而限制星敏感器姿态初始捕获时间、轻小化等性能指标的提高.针对以上问题,提出了一种星敏感器星点聚类提取方法.首先,介绍和分析了星点聚类提取方法中的预处理滤波算法和聚类算法;然后,给出了该方法在北京控制工程研究所新研小型星敏感器中的实现方式和实现效果,该星敏感器在探月三期月地高速再入返回飞行器中成功实现了首次在轨飞行实验;最后,通过星敏感器观星实验对星点传统提取方法和星点聚类提取方法进行了比对验证,并通过小型星敏感器在轨飞行实验对星点聚类提取方法进行了在轨验证.实验显示,该方法提取星点所需时间最大约为传统方法的16%,星图存储需求不到传统方法的1%,且星点提取正确,在轨表现良好.结果表明,星敏感器星点聚类提取方法能有效减小星点提取所需时间,不需大容量星图存储器件,且逻辑简单、移植性好,适用于各类光学成像敏感器.     

探月三期月地高速再入返回飞行器技术设计与实现

探月三期月地高速再入返回任务是我国首个深空探测再入返回任务,研制目的是突破和掌握月地高速再入返回关键技术,为嫦娥五号任务研制奠定基础.本文给出了月地高速再入返回飞行器的任务特点,进行了任务概貌和研制过程介绍,阐述了双平台和多目标飞行器方案设计及飞行过程设计情况,并给出了在轨飞行结果.结果表明,月地高速再入返回飞行器所有功能性能均满足任务要求,在轨飞行状态正常,技术设计正确可行.     

高精度再入返回轨道控制技术

2014年11月1日,月地高速再入返回飞行器准确着陆在预定着陆区,标志着探月工程三期月地高速再入返回任务取得了圆满成功.其中飞行器服务舱的制导,导航与控制系统以高精度的再入角和准确的返回再入速度将返回器送入返回走廊,是整个飞行任务的关键环节.本文介绍了为实现以11 km/s速度再入返回地球,解决对地球再入角和返回速度的准确度要求高的难题,飞行器服务舱的制导,导航与控制系统所采用的轮控姿态管理,喷气管理和高精度加速度计闭环轨控的组合技术.在轨实施取得了轨道控制精度小于0.009 m/s,再入角控制精度小于0.024°的控制结果,达到了再入返回轨道控制的高水平.     

月地高速再入返回器构型布局设计及实现

月地高速再入返回器是我国首次深空再入返回的航天器,具有空间紧凑、耦合性强、质心要求高、精度要求高等技术难点.对返回器的构型布局总体设计及关键实现环节进行了描述,包括轻小型密闭舱体的构型布局设计、推力器的一体化布局、高精度质心配平设计与实现、关键单机布局与精度保持设计、基于双斜面的精测方法及验证等,并以此为基础完成了返回器的总装设计与系统集成,通过了地面与飞行验证.     

探月三期月地高速再入返回飞行器工程参数测量系统设计及飞行结果

月地高速再入返回飞行试验任务目标是验证与半弹道跳跃式返回再入的相关技术,全面可靠的获取试验相关数据,对试验结果评估至关重要,为此飞行器专门设计实现了一套包括力、热、图像等参数采集与存储的工程参数测量系统,本文给出了该系统的设计情况及飞行结果.     

探月三期月地高速再入返回器降落伞减速系统设计与实现

针对探月三期返回器回收的初始条件、约束条件以及返回器的相关特点,提出了一种开伞载荷非均衡的两级降落伞减速系统方案,解决了探月三期返回器降落伞开伞载荷、舱伞系统的稳定性、重量要求以及弹盖拉伞可靠性等多因素的约束,实现了各方面较好的匹配性和降落伞系统的轻量化设计.同时针对轻质、不规则气动外形伞舱盖的特点,对弹盖拉伞的开伞方式进行了设计,确保了弹盖拉伞工作的可靠性.介绍了降落伞系统的主要可靠性分析验证情况.经过地面试验、仿真试验、空投试验和飞行试验的验证,表明探月三期返回器降落伞系统工作性能稳定、可靠,能够确保返回器的安全着陆.     

不同真空度下多层隔热组件传热性能的实验研究

针对月地高速再入返回飞行器在轨面临长期中真空环境的特殊挑战,热控设计需要评估不同真空度下多层隔热组件的传热性能差异.采用一维绝热型边界测试方法,对5单元、10单元、15单元与20单元多层隔热组件,在0.001~10000 Pa开展了传热性能的实验研究.根据测试数据,计算了不同真空度下的当量导热系数,在整器热分析模型中优选当量导热系数来计算整器温度水平,并利用正样热平衡试验和在轨温度遥测值验证了该方法的正确性.本文的测试结果不仅可为返回器提供基础数据,还可成为多层隔热组件不同真空条件下航天器热设计、热分析的重要依据.     

基于导航星间链路的天基高精度时间传递方法

随着航天技术的不断发展,航天器的数量日益增多,迫切需要一种统一的、高性能的天基授时手段,以便为各类航天器的高效协同提供保障.导航星间链路广泛适用于卫星精密定轨与时间同步,并且覆盖了星座内的中高轨卫星,因此可作为一种理想的天基高精度时间传递手段.现有的导航星间链路时间同步方法依赖于导航卫星具备星历信息,并不适用于位置精度较低且空间信息缺乏完整性的任意空间飞行器.本文在导航星间链路双向测量原理的基础上,提出了一种动态条件下时延修正方法,该方法计算简单、工程可实现性强,只需要空间飞行器终端具备多普勒测量或连续伪距测量功能,即可实现空间飞行器在一般位置精度条件下的高性能时间同步.理论分析表明,授时精度优于0.1ns.最后,以地面站模拟空间飞行器,结合北斗星间链路星地实测数据开展了时间同步试验,试验结果验证了本方法的有效性.     

探月工程三期月地高速再入返回飞行器防热系统设计与验证

本文针对月地高速再入返回的高焓、二次大气层再入、高热流密度峰值与长加热时间耦合的气动加热环境特点,提出了飞行器防热系统设计方案,研制了七种新型碳硅复合烧蚀防热材料,建立了防热系统分析模型,并完成了地面试验验证.经对飞行试验数据的详细分析,结果表明防热系统的实际性能与设计预期一致.     

月地高速再入返回飞行器供配电系统设计与实现

结合月地高速再入返回飞行器主要任务特点,简要介绍了供配电系统的功能、主要指标、多舱段联合供电电源系统方案,提出了高比能量锌银蓄电池设计、多模式氢镍蓄电池充电策略、多母线均流设计等方法,解决了返回再入飞行器在复杂空间环境下的高可靠轻小型化供配电系统设计难题.在轨飞行试验结果表明:供配电系统功能正常,工作可靠,性能优良.提出的再入返回飞行器供配电系统分析与设计方法,满足并确保了再入返回飞行试验任务的可靠实现,可为未来探月及其他深空探测领域供配电系统设计提供参考和借鉴.     

月地高速再入返回器气动设计与验证技术

月地高速再入返回器与近地轨道返回飞行器相比,气体流动效应更加复杂,对气动数据的精准度要求更为苛刻.因此,气动设计与验证的正确性和全面性是月地高速再入任务成功的关键.本文对月地高速再入气动特点进行了分析,对返回器气动设计方法、气动计算与试验项目、数据综合分析和特种气动问题研究的方法与结果进行了阐述,并给出了飞行结果.飞行结果表明返回器气动设计与验证所获得的各项气动数据满足工程要求.     

月地高速再入返回飞行器信息系统设计与实现

探月三期月地高速再入返回飞行器由服务舱和返回器2个舱段组成,信息系统复杂,首先对信息系统的任务进行了分析,在此基础上提出了2层拓扑总线的互联方案、器内多子网自识别路由设计方案、链路层分层方案,脉冲调制编码(PCM)数据体制与高级在轨系统(AOS)数据体制统一设计方案,实现了多信源、多舱段信息管理与融合,提高了上行带宽利用率、器内数据路由和下行遥测灵活性和易扩展性,满足了飞行任务复杂工作模式下的需求,在轨飞行结果表明信息系统满足需求.     

高速脉冲超宽带系统和芯片设计

脉冲超宽带无线通信系统功耗低、复杂度低,但传输速率一般不高.本文提出高速脉冲超宽带无线通信系统方案,方案采用高速采样、低阶量化和数字处理技术,在保持较低的系统功耗和复杂度的条件下,实现了超过100 Mbps的脉冲超宽带无线信息传输.论文给出了系统方案、核心算法、芯片设计中的关键技术以及仿真结果.作为核心算法,提出的联合同步和信道估计算法具有低的复杂度,并易于实时实现.论文介绍了芯片设计中的数字基带芯片结构、接收机的状态转移和联合同步和信道估计算法的实现等关键技术.基于提出的方案,研制了数字基带芯片,其内核功耗小于100mW.采用研制的芯片,开发了试验系统,能够进行实时无线高清视频传输.对试验系统进行了实际测试,实测结果验证了该高速脉冲超宽带方案的有效性.     

嫦娥一号月面成像的高次函数形变模型匹配及超分辨率重建

分析了起伏地形在星载三线阵像机不同传感器上成像的形变模式. 针对嫦娥一号探月卫星2C级月面成像, 提出了在运动方向上用二次函数表示图像形变的线阵立体像机图像匹配方法. 用该匹配方法与标准相关方法相结合完成了嫦娥一号卫星成像的下视图与前视图、后视图的精确配准, 基于非均匀样本小波插值的超分辨率重建算法实现了嫦娥一号卫星月面图像的超分辨率重建, 增加了图像的可识别目标, 充分挖掘了嫦娥一号卫星的图像信息.     

神舟七号飞船伴星飞行试验方案设计及试验验证

神舟七号载人航天飞行任务中,我国首次在轨释放了一颗伴随卫星,试验和验证伴星在轨释放和伴随飞行技术.伴星平台集成了三结砷化镓高效太阳电池、锂离子蓄电池,以及液氨推进系统等新技术,其有效载荷为双焦距一体化可见光相机,可实现对近距离空间飞行器的视频观测和照相.2008年9月25日,伴星随神舟七号飞船发射升空后,按预定计划在轨释放,获取了1680幅飞船图像;通过6次轨道机动控制,于10月5日形成了相对神舟七号飞船轨道舱的绕飞椭圆,并连续保持了25圈.本文简述伴星飞行试验任务目标和卫星设计方案,重点阐述伴随飞行方案设计及飞行试验验证结果.     

利用AIRS高光谱数据开展HJ-1B热红外通道的多点交叉定标及验证

我国热红外传感器在轨辐射定标主要通过基于大面积均匀目标的实测数据开展的单点法场地定标以及与高精度中分辨率载荷的多点法交叉定标来实现.单点法场地定标耗时、费力,且无法计算定标系数的截距,与中分辨率载荷的多点法交叉定标受到入瞳辐亮度匹配算法的制约,两者都影响着我国在轨定标系数精度的提高.利用AIRS高光谱数据的光谱特征,针对国产HJ-1B卫星热红外通道进行多点交叉定标方法研究,通过选择临近成像时间、选择均匀区域消除时空差异,同时通过MODTRAN辐射传输模型开展逐像元计算,对不同像元间的观测几何因素进行归一化处理.通过基于单一均匀区域、不同时相的时间序列多点法和基于同一时相、不同均匀区域的均匀目标多点法交叉定标获得HJ-1B热红外通道定标系数,并以基于HJ-1B热红外通道查找表法获取的星上定标系数为基准,对多点法交叉定标所得定标系数进行验证.经过分析,通过剔除时间序列多点法中的异常点和调整均匀目标多点法中的匹配因子,所得定标系数模拟得到的等效离水亮温值与基于星上定标系数反演得到的离水亮温值偏差分别达到1.81和0.92 K.由结果可知,基于AIRS的HJ-1B热红外通道的均匀目标多点法交叉定标结果更精确可信.