卫星相关研究概述

1卫星稳定法 卫星的在轨稳定可由下述主动或被动方法获得。 1.1重力梯度 重力梯度是一种被动稳定方法,有时用于LEO小卫星。作用在卫星上最靠近和最远离地球的部件上的引力差形成一个力矩,该力矩维持卫星姿态与当地铅垂线一致。为得到足够的力矩,需在卫星上安装长杆。由于地球同步轨道上的引力差为零,故该法不适用于地球同步卫星。     

精化地球重力场模型中SST距离的观测方程

在卫星受摄运动分析的基础上，给出了在利用卫星跟踪卫星(SST)精化地球重力场模型中，SST卫星之间距离的观测方程，实际上是地球引力位的一阶导数。     

一种重力梯度小卫星实时姿态控制方法研究

重力梯度卫星是一种利用重力梯度力矩来实现对地定向的卫星.它在达到重力梯度稳定之前还需要消旋、重力梯度捕获等过程,需要一定的主动控制.本文针对重力梯度小卫星的动力学特性,在卫星本体坐标系下建立了数学模型.考虑到小卫星的质量和功耗限制,选取了功耗、质量较小的磁力矩器作为控制手段.依据当地的地磁场强度调整磁力矩器磁矩大小,从而产生相应的磁力矩对卫星进行主动控制.依此方法,在Matlab/Simulink中建立模型进行仿真运算.在对仿真结果进行分析的基础上加入星载计算机实物进行半物理实时仿真.仿真结果表明,这种控制方法可以满足重力梯度小卫星所需要的主动控制要求.     

重力梯度稳定微小卫星大角度机动最优控制的遗传算法

为满足小卫星设计要求 ,针对重力梯度稳定微小卫星 ,建立了其大角度姿态机动的动力学模型 ,并应用Pontryagin极大值原理进行了最优控制问题的研究。同时 ,将遗传算法引入卫星姿态控制的数值计算中 ,求解最短时间控制问题和能量最优控制问题 ,发展了一种新的最优控制问题的计算方法 ,避免了对迭代初值进行猜测的困难 ,提高了计算效率。以“清华一号”微小卫星为算例进行了数值仿真计算 ,得到了卫星姿态角度和反作用飞轮控制力矩的变化规律     

重力梯度张量解析信号的欧拉反褶积

利用重力梯度张量数据高精度的特点以及解析信号在确定异常体位置上的优势,将重力梯度张量解析信号代替位场的导数完成重力梯度张量解析信号的欧拉反褶积;通过在1个窗口内对1组数据点解3个欧拉方程来自动识别构造指数,从而规避了传统欧拉反褶积方法中需要事先确定构造指数的问题,同时减少了背景场的影响。研究结果表明:使用重力梯度张量的解析信号,其欧拉反褶积的解收敛性很好,能准确地判断地下异常体源的位置,有效规避背景场的影响,反演效果较好。     

挠性充液卫星姿态动力学建模研究

为了研究带重力梯度杆的充液卫星姿态动力学 ,利用带端质量的等效悬臂梁模型及液体晃动的等效力学模型 ,即一组球面摆和一个轴对称圆盘 ,建立了挠性充液耦合的卫星姿态动力学方程。根据某微小卫星的具体参数 ,利用多变量控制系统极点配置选取了 3个反作用飞轮的控制率 ,通过数值仿真计算 ,得到了刚柔耦合及挠性充液耦合卫星姿态角的变化规律。仿真结果表明 ,采用三轴反作用飞轮控制方法 ,并对挠性振动进行动态补偿 ,可以改善姿态控制精度 ;同时得到了液体晃动对姿态角精度的影响     

快速傅里叶变换在卫星重力梯度测量中的应用

本文将混合基快速傅里叶变换应用于卫星重力梯度测量数据处理。从已知位系数求重力梯度值和已知全球重力梯度值反求位系数两方面进行了数值模拟计算。数值结果表明：引入ＦＦＴ技术后，计算速度获得了极大的提高，并且随着所考虑的阶数ｎ的增加，速度提高更快。当ｎ＝５０，已比直接计算快近１０倍，ｎ＝１２０，则快３０多倍。     

卫星重力梯度精化局部重力场的径向基函数法

针对球谐函数方法构建全球重力场模型不能顾及重力场局部特征差异的问题,提出了一种基于卫星重力梯度数据精化局部重力场的径向基函数方法及数据处理方案．以北美地区为例,采用GOCE(地球重力场与静态海洋环流探测)卫星重力梯度数据和ITG-GRACE2010S模型法方程反演的全球重力场为背景模型,通过频域内定权的级联滤波方法抑制重力梯度低频系统误差和有色噪声,基于球面样条核函数和分区正则化策略构建了更符合区域特征的局部重力场模型．利用高精度的GOCO06S模型和GPS(全球定位系统)水准数据进行检核,结果表明:构建的局部重力场模型比同期数据解算的全球重力场模型精度更高,并且新版GOCE数据的解算精度明显优于旧版．     

应用CHAMP卫星轨道和加速度数据恢复地球重力场

介绍了重力卫星CHAMP,GRACE,GOCE和利用卫星观测数据解算地球重力场的方法以及加速度数据的处理方法,探讨了基于能量守恒方法恢复地球重力场模型的原理.将基于能量守恒方法利用CHAMP卫星星历数据恢复的地球重力场模型与EGM 96重力场模型进行比较,结果验证了CHAMP卫星对地球中、长波重力场的敏感性,以及能量守恒方法恢复低阶地球重力场位系数的有效性.     

旋转MEMS加速度计航空重力梯度仪多物理场作用误差分析

在自研高精度MEMS加速度计基础上,成功研制了旋转加速度计式重力梯度仪样机,其中MEMS加速度计的自噪声为0.7×10^-9g Hz^-1/2,重力梯度仪的自噪声达到40 E·Hz^1/2,实验室静基座测量的分辨率达到10 E,在静态环境下满足了重力梯度测量的需求．为了实现航空环境下的重力梯度测量,结合高精度加速度计输出模型及重力梯度仪安装误差模型,通过精确测量模型中的各项系数,建立了重力梯度仪在载体运动、磁场及温度等航空环境多物理场作用下的测量误差模型,推动移动平台重力梯度测量实用化．     

加速度计移植误差来源及对重力场建模影响分析

星载加速度计是低低卫星跟踪卫星技术探测地球重力场的核心载荷,由于加速度计载荷设计复杂且精细度要求高,GRACE和GRACE Follow-On等低低卫星跟踪卫星均存在仅有单加速度计工作的情况,为保障重力卫星任务顺利实施,须要在单加速度计观测条件下完成数据移植工作,现阶段尚无关于加速度计移植算法误差来源的研究.这里详细分析了移植算法的噪声来源,并评估了移植误差对重力场建模精度的影响.结果表明：移植误差主要来源于双星重复飞行的位置差异、姿态差异、时间延迟和卫星自身参数误差;当移植误差小于1×10^-9 m/s²时,地球重力场的反演精度与双加速度计同时工作时的反演精度差异较小,对应需求为双星重复飞行的位置差异小于1 000 m、姿态差异小于1°.     

地球卫星重力场模型及其应用研究进展

本文在简述地球重力场模型发展历程的基础上,对地球卫星重力场模型及其应用的研究进展进行综述。第一,回顾了卫星重力测量技术的发展历程,并对CHAMP、GRACE、GOCE和GRACE-FO任务进行了详细介绍。第二,阐述了目前主要的卫星重力反演方法及其改进现状。第三,介绍了目前国际上主要机构反演的地球卫星重力模型,并分别对CHAMP-Only、GRACE-Only和GOCE-Only的系列模型进行对比分析。第四,综述了地球卫星时变重力场场模型的应用研究进展。第五,对钱学森空间技术实验室天空海一体化导航与探测团队在地球卫星重力场模型及其应用的研究进展进行了概述。最后,对未来地球卫星重力场模型研究进行了展望,提出了研究建议。     

全张量重力梯度仪测量方程及误差分析

为了研究加速度计性能与全张量重力梯度仪测量精度之间的关系,从全张量重力梯度仪的测量原理出发,建立了重力梯度仪的测量方程,并根据坐标变换矩阵得到测量坐标系和惯性平台坐标系下全张量重力梯度仪的输出表达式.根据加速度计的输入输出数学模型,给出了包含加速度计性能参数的输出方程,并分析了加速度计性能对全张量重力梯度仪测量精度的影响.理论分析结果表明,当旋转圆盘中心存在加速度时,加速度计的零位偏置、标度系数的非一致性以及二阶非线性系数均产生重力梯度测量误差.通过采用高精度加速度计、高精度稳定平台及标度系数在线自动补偿技术,可以提高重力梯度仪的测量精度.     

重力梯度张量的预条件共轭梯度法反演

针对重力梯度张量反演中的问题,提出基于预条件共轭梯度法的重力梯度张量反演.通过在目标函数中加入粗糙度对模型进行约束以避免反演参数远多于采集点数的欠定问题不稳定,并在目标函数中添加深度加权矩阵对核函数进行补偿,以避免核函数随着深度的增大而快速衰减的问题.分别反演、比较各重力梯度张量分量和联合5个独立分量,并将重力梯度张量5个独立联合反演应用于Y型岩脉.研究结果表明:联合反演效果明显优于单一分量的反演效果,且能较好地与原始模型相吻合,证明了本文算法的有效性.     

一种结合匹配区选择和障碍物探测的水下路径规划方法

水下动态航路规划不仅需要考虑适配区的选择,还需要进行实时目标探测和有效避障,这样才能保证潜器的导航安全。文中提出一种同时考虑适配区选择和目标探测的水下航路规划方法,在重力梯度特征空间中基于支持向量机进行适配区的选择,利用重力梯度反演进行目标探测。该方法使潜器既能在适配区航行时进行有效定位,又能避免触碰暗礁和运动潜器等障碍物。仿真分析证明此方法有效。     

平台式航空重力梯度仪测量原理与信号检测

航空重力梯度仪不仅可以提高惯性导航的精度,而且对空间科学、地球科学、地质科学等科学技术的发展起着非常重要的作用.论文系统研究和探讨平台式航空重力梯度测量原理,考虑地球自转速度和经纬度的影响,建立旋转加速度计重力梯度测量的数学模型,并在此基础上提出获取重力梯度张量的信号调理方法.图3,参10.     

重力梯度仪仿真系统设计

为了研究旋转加速度计重力梯度仪信号产生和处理方法,设计了重力梯度仪半实物仿真系统。首先依据 重力梯度仪的测量原理计算出由地下某异常体引起的重力梯度异常值,利用加速度计的输出公式,通过 LabVIEW对全张量重力梯度仪的12 个加速度计输出信号进行仿真,并对仿真信号进行解调,得到全张量重力 梯度值。以单圆盘为例进行半实物仿真,由计算机A 产生加速度信号经过硬件电路后,通过计算机B 对调理 过的加速度计信号进行中值滤波和解调,从而获得重力梯度异常值,精度为100 E。这种仿真系统的设计可以 对全张量的重力梯度进行解调,突破了解调单圆盘信号的局限性,引入的半实物仿真增加算法的可靠性和仿真 的可信度,对重力梯度仪的参数设计和实物制造有参考意义。     

基于深度加权的重力梯度数据联合相关成像反演

针对矿产勘查中相关成像反演存在的纵向分辨率较低的问题，提出了一种基于深度加权的重力梯度数据相关成像反演方法.通过联合多个重力梯度分量、引入基于先验信息的深度加权函数与地下空间分区加权等方法，提高反演的纵向空间分辨率.在数据试验中，利用立方体组合模型证实了提出的方法能够准确反演出目标体的空间位置，计算的密度数值范围与理论模型基本一致，且方法具有一定的抗噪能力.将反演应用于美国文顿盐丘地区的实测重力梯度数据，结果显示出的盖岩位置与已知地质资料相符，证明了本文方法具有可行性和实用性.     

基于天琴一号观测数据反演地球重力场模型

天琴一号卫星搭载了静电悬浮加速度计、GNSS接收机和星象仪,可实现地球重力场探测的高低卫星跟踪卫星技术．这里利用自主研制的动力法反演软件,采用天琴一号(TQ-1:Tianqin-1)30 h观测数据反演了截断至15阶次的静态地球重力场模型,计算结果表明:TQ-1卫星数据反演的地球重力场模型在15阶次内的信噪比均大于1,说明利用TQ-1数据具备实现15阶次地球重力场的反演能力;通过与包含8 a高低卫星跟踪卫星观测信息的AIUB-CHAMP03S模型对比可知,利用TQ-1卫星数据反演的地球重力场模型位系数误差整体优于10^-8量级;通过与包含13 a低低卫星跟踪卫星观测信息的HUST-Grace2016s模型对比可知,利用TQ-1卫星数据反演的地球重力场模型可获取全球格网重力异常和全球格网大地水准面信息,二者空间分布特征较为一致．计算结果为采用我国自主研发的高低卫星跟踪卫星技术获得的首个地球重力场模型,表明我国具备了采用该技术获取地球重力场模型的能力,可为发展我国自主研发的重力卫星提供重要技术参考．     

姿态变化条件下的典型卫星目标宽带散射特性分析

采用FDTD方法计算和分析了现有的两类典型的卫星——三轴稳定和自旋稳定卫星的宽带散射特性,比较了这两种典型卫星目标的时域和频域散射特性随姿态变化的规律。结果显示频域散射特性适合在大姿态角变化范围内分析卫星目标姿态,而时域散射特性适合在小姿态角变化情况下分析卫星目标姿态。此外,对于典型卫星目标而言,翻滚姿态变化比俯仰姿态变化可以引起更大的目标后向散射变化。计算分析结果对卫星目标及其姿态的识别,以及对宽带地基雷达的设计有一定的参考价值。