航天动力学专辑·编者按

<正>近半个世纪以来,中国航天走出了一条独立自主的发展道路,先后完成东方红一号、载人航天工程和探月工程三大里程碑的跨越,牵引航天动力学专业取得了丰硕的研究成果. 2018年,中国航天完成了北斗三号基本系统部署,计划年底前向"一带一路"国家和地区提供基本导航服务,并将发射嫦娥四号月球探测器,实现人类首次在月球背面着陆与巡视,标志着我国航天技术水平又向前迈进了一大步.航天器和运载火箭作为体现航天技术发展的主要载体,其设计、研制、发射及在轨运行是一项庞大的系统工程,而航天动力学则贯穿于航天器和运载火箭的研制过程.航天动力学的建模、分析及试验等技术的发展直接影响着航天器与运载火箭的设计水平,甚至决定着航天任务的成败.     

一类欠观测系统的可观测性研究

探索月球及月球以远天体对推动太阳系起源、行星演化、生命起源等基础科学问题的研究至关重要,已成为各航天强国的发展重心.由于深空探测任务距离遥远,深空探测器依靠地面测控网进行导航难以保证安全可靠运行,亟需发展自主导航能力.基于序列图像的自主导航系统具有成本低、功耗小、全程适用和数据结构简单等优点,可有效降低深空探测器自主导航系统的空间及能源负担,是实现深空探测器自主导航的理想手段之一.但是,受深空探测目标先验信息缺失及复杂环境下系统误差难以自主校正的影响,基于序列图像的深空探测自主导航系统属于典型的欠观测系统.为提升此类自主导航系统的精度和工程实用性,需以可观测性理论研究为基础,指导自主导航系统的设计及工程实现.针对可观测性理论研究的实际需求,本文首先从非线性系统可观测能力的表征、判定及量化等三个方面系统地阐述了现有理论及方法的研究现状;之后,调研了一类欠观测系统(基于序列图像的自主导航系统)的可观测性分析方法,给出了针对此类系统的可观测性研究现状,并讨论了各方法之间的优劣;最后,通过对已有成果进行总结归纳,探讨了现阶段欠观测系统可观测性研究存在的不足以及未来的发展趋势.     

基于双目光学图像信息的空间非合作目标自主相对导航方法

针对无任何先验信息的空间非合作目标相对导航问题,提出了一种仅基于双目视觉图像测量的自主相对导航方法.首先,建立了非合作目标双目图像测量辨识模型及特征位置矢量解算方法.利用观测卫星相机系下的目标相对位置矢量观测序列,结合卫星姿态、相机安装方位等信息,给出了非合作目标初始相对运动状态估计及导航滤波参数初始化方法.之后采用考虑状态噪声补偿以及观测方差矩阵和状态噪声矩阵自适应修正的扩展卡尔曼滤波算法,完成空间非合作目标自主相对导航解算.最后以低轨非合作目标逼近段为例进行相对导航仿真,验证了该方法的有效性.     

航天器力学环境分析与试验技术研究进展

航天器力学环境是航天器在整个任务周期内经受的各种载荷作用的响应描述,是直接影响航天器总体设计水平和决定航天任务成败的关键因素.按照任务阶段,航天器力学环境主要分为发射段的力学环境和在轨力学环境.随着我国航天器设计水平的发展,航天器有效载荷对力学环境的要求越来越苛刻,航天器力学环境分析与试验技术已经成为制约我国航天器设计水平的关键技术.本文重点从发射段力学环境分析技术、在轨微振动环境分析技术、力学环境试验技术和航天器振动控制技术等四个方面对国内外近几年的研究进行了回顾,对相关研究进展和成果进行了系统的归纳与阐述.在此基础上,结合我国航天工程的实际需求及航天器发展的趋势,指出未来航天器力学环境分析与试验技术的主要研究方向.     

按可压缩流体计算结构响应对声辐射的影响

将流体分别视为不可压缩和可压缩两种情况建立了流固耦合方程，探讨了按可压缩流体计算水下结构振动响应对声辐射的影响．结果表明：流体可压缩性与流体边界条件、结构刚度和结构阻尼有关；在计算水下结构声辐射时，结构振动响应应当按可压缩流体计算．     

复杂空间背景下暗弱目标的快速识别方法

本文针对复杂空间背景下暗弱目标难以识别的问题,提出了一种基于匹配滤波的暗弱目标快速识别算法.首先建立了恒星跟踪模式下条纹状空间目标的成像模型,并利用信噪比来界定空间目标的暗弱程度.进而设计了一种条纹单元模板,该模板避免了生成大量不同长度的条纹模板,从而降低了图像空间滤波过程中的计算量.最后通过仿真实验验证了该算法的有效性,能够实现信噪比为0.5的暗弱目标的快速识别.     

基于序列图像的深空小天体运动状态估计

近年来,随着空间技术的进步,大部分国家逐渐开始关注深空小天体探测,这属于典型空间非合作目标探测任务.与合作目标相比,空间非合作目标具有典型的特征,如无先验知识、无合作标识和无通信等.但是在附着之前,必须获取空间非合作目标的必要信息.如何通过非接触的方式获取目标的姿态、角速度和惯性参数是深空小天体探测的重要技术之一.研究工作提出了一种估计未知非合作目标姿态、运动与惯量特性的新方法,仿真证明了在不同目标特性与状态工况下的方法有效性.此外,主惯量参数比的准确率能够达到90%.在所有这些工况中,非常重要的环节是视觉算法必须保证良好且精确的目标特征点信息.总之,本文给出了一种有前景与有效的用于小天体附着前的运动与参数辨识方法,此方法非常高效且适合星上应用.