基于HLA/pRTI的卫星姿轨控系统仿真研究

基于高层系统结构HLA/pRTI对卫星姿轨控系统的仿真进行了初步研究,提出了姿轨控系统仿真软件平台的基本框架,介绍了姿轨控系统模型,给出了联邦FOM模型及时间管理策略。在自主研制的SSVS仿真平台上对卫星在轨运行场景进行了一体化分布仿真,对仿真结果进行了分析,并得出结论。     

Test selection and optimization for PHM based on failure evolution mechanism model

The test selection and optimization （TSO） can improve the abilities of fault diagnosis, prognosis and health-state evalua- tion for prognostics and health management （PHM） systems. Traditionally, TSO mainly focuses on fault detection and isolation, but they cannot provide an effective guide for the design for testability （DFT） to improve the PHM performance level. To solve the problem, a model of TSO for PHM systems is proposed. Firstly, through integrating the characteristics of fault severity and propa- gation time, and analyzing the test timing and sensitivity, a testability model based on failure evolution mechanism model （FEMM） for PHM systems is built up. This model describes the fault evolution- test dependency using the fault-symptom parameter matrix and symptom parameter-test matrix. Secondly, a novel method of in- herent testability analysis for PHM systems is developed based on the above information. Having completed the analysis, a TSO model, whose objective is to maximize fault trackability and mini- mize the test cost, is proposed through inherent testability analysis results, and an adaptive simulated annealing genetic algorithm （ASAGA） is introduced to solve the TSO problem. Finally, a case of a centrifugal pump system is used to verify the feasibility and effectiveness of the proposed models and methods. The results show that the proposed technology is important for PHM systems to select and optimize the test set in order to improve their performance level.     

序列蒙特卡洛滤波在卫星传热反问题中的应用

为了解决卫星在轨外热流辨识与实时温度预测问题,提出采用序列蒙特卡洛SMC(Sequential Monte Carlo)算法实时辨识卫星轨道外热流变化,结合双层集总参数模型,快速准确地预测星载仪器温度变化.SMC算法采用构造温度的后验概率密度函数PPDF的方法进行滤波和预测,使得外热流的在线辨识和温度预测性能得到较大提高.仿真结果表明序列蒙特卡洛滤波方法可以实现卫星热系统动态特性辨识,保证了低维模型参数的自适应辨识的可靠性,实现受控对象温度变化的在线预测技术.     

基于加速度信息的导航卫星轨控期间自主定轨方法

为了降低对地面测控站的依赖,提升导航卫星自身的自主运行能力具有重要意义。导航卫星在轨道控制期间,自主定轨误差将会产生重大偏差,为了能够快速恢复星历,提升导航系统的应用效率,针对导航卫星轨控期间的自主轨道确定技术进行了研究。首先,在传统的天文导航的基础上引入了加速度信息,然后根据加速度计测量以及估计误差判断,选择合适的时机在轨控期间对估计误差方差阵进行重置。仿真结果表明,基于加速度信息的自适应导航滤波算法,能够有效降低导航误差收敛时间,同时降低估计误差峰值。     

低轨星座构型保持研究现状与分析

稳定的构型是星座发挥其正常功能的基础。首先结合卫星在轨运行动力学环境，回顾了地球重力场模型、日月引力模型、大气模型与太阳光压模型的发展，在此基础上介绍了大气模型和太阳光压模型的在轨修正技术。其次，阐述了星座构型保持的必要性与可行性，总结归纳了摄动补偿法、预先设计法、全局优化法、阻力差分法与极限环保持法等构型保持方法，对比了绝对保持与相对保持的控制基准与方法特点。最后，展望了针对不同高度的低轨(low Earth orbit, LEO)星座构型保持，旨在为LEO星座的构型保持策略设计提供参考。     

基于天基空间目标监视系统的定轨技术研究

天基空间目标监视系统是进行空间目标监视与跟踪的重要发展方向,通过对美国即将运行的空间目标监视跟踪系统(SBSS)的分析,按照其设计思想和运行环境,仿真实现了SBSS对空间目标的定轨功能.设计了SBSS系统覆盖区域的简易算法,可以快速准确判断目标的可观测区域,为星座设计提供必要的支持.针对星上计算机能力有限的特点,提出了基于拉格朗日5点法求状态转移矩阵的定轨算法.仿真试验证明,SBSS系统对空间目标的覆盖区域比地基监视系统显著增加,同时,改进的定轨算法可显著缩短定轨时间、提高定轨精度,其中低轨道空间目标定轨误差10米,高轨道空间目标定轨误差500米左右.     

齿轮齿条式构型航天器设计及其动力学仿真

基于航天器结构的模块化设计概念,设计了一种新的在轨展开航天器构型,即齿轮齿条式构型。利用虚拟样机技术,在ADAMS软件中建立了这种新型航天器在轨展开的虚拟样机。首先研究了航天器本体以不同的驱动速度展开对航天器姿态角及姿态角速度的影响。其次,对航天器本体和太阳帆板的三种展开顺序进行了仿真,即本体模块和太阳帆板同时展开、太阳帆板先展开本体模块后展开、本体模块先展开太阳帆板后展开,分析了这三种展开顺序对航天器姿态角及姿态角速度的影响。仿真结果可以为未来高机动、多任务多形态的模块化航天器设计、在轨展开技术和空间姿态控制提供启发和借鉴。     

小偏心率空间碎片天基短弧定轨方法和实验

低轨空间碎片数量巨大, 对航天器在轨安全运行造成严重影响。天基光学是空间碎片观测的重要发展方向。低轨天基光学观测平台观测低地球轨道空间厘米级碎片的观测弧段相对较短, 由单个观测弧段难以确定目标的初始轨道, 初始轨道的误差也不容易评估。本文基于可行域方法, 建立了初始轨道确定和误差估计算法。针对天基短弧光学观测数据的初始轨道不易确定的问题, 本文提出了圆轨道辅助可行域方法。通过与商业遥感卫星合作, 利用遥感视频星开展了低轨空间碎片观测实验, 并利用天基实测数据对所提出的计算方法进行了验证, 为后续利用初始轨道进行弧段间关联奠定了基础。     

在轨空间智能制造:分布式调度建模与优化

在轨空间制造系统是在行星大气层外的需要地面工厂、在轨空间工厂、天地运载工具协同的以进行空间设施建造为目标的一类分布式制造系统.分布式调度建模和高效优化求解技术是实现在轨空间智能制造的关键技术之一.本文针对一类具有组件地面分布式制造及运输、地空分批次运输、组件在轨装配等典型特点的在轨空间智能制造系统,将其分解为分布式同质流水线调度,考虑运输时间的同速并行机调度,考虑工件释放时间、机器可用时间、机器处理能力的单机批调度以及考虑组件释放时间、优先约束的单机调度等问题,并基于模型协调思想建立以最小化组件生产到产品装配总时长为目标的分布式多阶段调度模型.进而,将用于求解连续优化问题的易理优化算法扩展到离散调度问题,提出求解该分布式调度问题的基于易理优化的模因算法.基于中规模、大规模算例的仿真结果和算法分析比较表明:相较于粒子群算法、教学算法、水波算法等智能优化算法,所提算法是一种求解分布式多阶段调度问题的可行、有效算法.值得一提的是,这是第一篇关于在轨空间智能制造系统调度优化的研究.     

在轨纳卫星的主动热控建模及控制策略研究

采用基于微机电(MEMS)的高效冷却技术,利用专家智能整定PID控制策略对纳卫星主动热控系统在轨时受到的轨道热环境及内部热源干扰进行控制.通过合理的分析与简化,建立了纳卫星MEMS主动热控系统的在轨动态数学模型,并利用人工智能领域专家的知识和经验结合经典PID控制给出了相应的控制策略.仿真结果验证了所提出的控制策略和方法是有效可行的.对工程应用有着指导意义.     

基于北斗卫星校准的连接端站干涉测量与定轨

为提高连接端站干涉(connected-element interferometry, CEI)测量对地球静止卫星轨道(geostationary satellite orbit, GEO)空间角位置的测量精度, 通常采用射电源标校消除大部分公共误差, 但需要在测站配置大口径高增益天线以接收射电源的微弱信号。针对该问题, 以北斗导航卫星为标校源, 仅利用测站现有天线即可实现高精度CEI测量。利用喀什测控站相距20 km的两套天线设备对天链GEO卫星开展CEI测量。经北斗卫星校准后, 时延测量精度可达0.03 ns。定轨结果表明, 7 h的时延和单站测距数据联合定轨位置精度可达37 m, 预报12 h位置偏差约为78 m。与3 000 km范围分布的多站测距系统24 h弧段定轨精度相当, 验证了该技术用于GEO卫星高精度测定轨和机动后轨道恢复的可行性。     

卫星导航系统点波束功率增强信号参数优化设计

导航卫星面向特定区域播发点波束功率增强信号, 是提高导航信号抗干扰性能的一种有效措施。针对点波束功率增强信号具有波束宽度窄、指向可变的特点, 研究了信号功率增强幅度、半波束角和扫描角等工作参数对覆盖性能的影响。分析结果表明, 功率增强幅度在0~20 dB变化时, 等效载噪比线性增加, 具有最好的增强效果。当高轨地球同步轨道(geosynchronous earth orbit, GEO)/倾斜地球同步轨道(inclined geosynchronous earth orbit, IGSO)卫星和中轨道(medium earth orbit, MEO)天线半波束角分别为0.86°和1.31°时, 在卫星发射总功率不变的条件下可实现20 dB的点波束功率增强, 对应的作用区半径分别为542 km和494 km。当GEO/IGSO卫星和MEO卫星天线扫描角分别取7.79°和11.90°时, 最大功率增强覆盖范围半径可达到9 046 km和8 538 km。     

重要交通设施一体化防护系统分析

提出了建立集威胁探测与告警、信息融合与数据处理及各种对抗措施于一体的一体化防护系统。该系统应具有合同性、快速反应性、机动性以及构成的模块化和智能化的特点。详细阐述了该系统的逻辑结构、效果评价方法和量化标准 ,并可根据防护概率优选、优化防护手段。由于一体化防护系统对交通目标的防护具有主动性、实时性和针对性 ,因而可大大提高重要交通设施在战争中的生存能力。     

LEO&GEO双层卫星网络的动态路由技术

基于低地球轨道和静止地球轨道（low Earth orbit & geo-synchronous Earth orbit, LEO&GEO）双层卫星网络结构,对其覆盖特性和星间链路（inter satellite link,ISL）特性进行了仿真分析。提出了分层分簇的管理方法,只有主簇头与GEO卫星有连接关系,简化了互联关系的复杂性。在该卫星组网结构中,利用星座网络拓扑的特点,提出一种负载均衡的动态路由算法,综合考虑了路径时延和ISL链路负载。与单层卫星网络相比,双层卫星网络可以更加均匀地分配通信量,仅在低层LEO卫星路由跳数超出一定阈值或者卫星网络链路利用率超过某个门限范围时,才利用上层GEO卫星进行中转传输,仿真结果表明,所提路由算法可以实现更低的时延、延迟抖动以及更优的服务质量性能。     

基于MCMC的导弹主动段突防仿真及灵敏度分析

能否对抗预警卫星的早期预警探测是弹道导弹主动段突防的关键。结合导弹主动段飞行仿真、主动段红外特性计算和预警卫星红外探测仿真,基于马尔可夫链蒙特卡洛（Markov chain Monte Carlo, MCMC）方法构建了导弹主动段突防仿真模型,并建立了导弹主动突防参数灵敏度分析的响应面近似函数模型。通过导弹主动段突防仿真与参数分析算例,定量给出了导弹主动段性能参数对其突防能力的影响,验证了方法的有效性。     

基于强化学习的全电推进卫星变轨优化方法

采用电推力器实现自主轨道转移是全电推进卫星领域的关键技术之一。针对地球同步轨道(geostationary orbit, GEO)全电推进卫星的轨道提升问题,将广义优势估计(generalized advantage estimator, GAE)和近端策略优化(proximal policy optimization, PPO)方法相结合,在考虑多种轨道摄动影响以及地球阴影约束的情况下,提出了基于强化学习的时间最优小推力变轨策略优化方法。针对状态空间过大、奖励稀疏导致训练困难这一关键问题,提出了动作输出映射和分层奖励等训练加速方法,有效提升了训练效率,加快了收敛速度。数值仿真和结果对比表明,所提方法更加简单、灵活、高效,与传统的直接法、间接法以及反馈控制法相比,能够保证轨道转移时间的最优性。     

红外预警卫星对地覆盖区域近似计算模型

以反导作战时红外预警卫星对地监视覆盖区域计算为需求,结合卫星平台和星载相机的特点,运用点集间投影和映射的思想,首先推导了地球同步轨道卫星对地进行圆锥 旋转扫描与推扫时的覆盖区域模型,运用坐标转换方法,进一步建立了低轨卫星对地扫描覆盖区域模型;提出了一种地球同步轨道卫星对地进行凝视覆盖的新工作模式;给出了临边覆盖的判定条件。仿真实例表明,该模型能有效计算高低轨红外预警卫星对地监视覆盖区域,能为预警卫星探测与跟踪弹道目标提供有力的技术支撑。     

同轨热备份GEO星座网络可靠性建模

地球同步轨道（GEO）通信卫星星座系统具有拓扑结构复杂、系统状态难以准确划分等特点.在分析包含三颗正常工作卫星和一颗同轨热备份卫星的GEO星座体系拓扑关系基础上,借助Markov过程对系统运行状态进行划分和聚合.依据Kolmogorov定理建立各聚合状态停留概率的微分方程组,通过Laplace变换及其逆变换进行星座网络可靠性指标的推导.分析备份星失效率变动时系统访问安全状态集、劣化状态集、警戒状态集和故障状态集共四类状态集的概率敏感性,为提高星座网络可靠性及制定备份策略提供定量支持.案例对某卫星通信公司设计的GEO星座体系的可靠性进行建模,对比了备份星在不同失效率下系统可靠度的变动.     

高轨卫星通信星座PS-GERT效能评估模型

卫星通信星座的效能评估不仅可以表征星座的通信能力,还可为优化星座结构提供依据。在深入分析星座结构关系的基础上,剖析基于通信链路的高轨(geostationary earth orbit, GEO)卫星通信网络和联系统(plus system, PS),借助图示评审技术(graphical evaluation and review technique, GERT)提出基于特征函数与传递概率的等价传递函数算法。首先,在分析通信链路重要度内涵的基础上,得出通信链路效能及其重要度的算法公式,构建GEO卫星星座PS-GERT效能评估模型。然后,利用傅里叶逆变换推导星座效能的概率密度函数。最后,以某GEO卫星通信星座为例进行分析,验证了所构建模型的优越性,不仅能够全面客观地评估星座效能,同时也为星座结构的优化奠定了理论基础。     

高轨卫星通信星座PS-GERT效能评估模型

卫星通信星座的效能评估不仅可以表征星座的通信能力,还可为优化星座结构提供依据。在深入分析星座结构关系的基础上,剖析基于通信链路的高轨(geostationary earth orbit, GEO)卫星通信网络和联系统(plus system, PS),借助图示评审技术(graphical evaluation and review technique, GERT)提出基于特征函数与传递概率的等价传递函数算法。首先,在分析通信链路重要度内涵的基础上,得出通信链路效能及其重要度的算法公式,构建GEO卫星星座PS-GERT效能评估模型。然后,利用傅里叶逆变换推导星座效能的概率密度函数。最后,以某GEO卫星通信星座为例进行分析,验证了所构建模型的优越性,不仅能够全面客观地评估星座效能,同时也为星座结构的优化奠定了理论基础。