无摄动椭圆轨道卫星编队设计算法研究

研究无摄动椭圆参考轨道的卫星编队飞行设计,在RAC坐标系下研究两星相对运动问题。利用RAC坐标系下的敏感矩阵,将轨道根数差与从星的RAC坐标建立联系,从而推导出椭圆轨道编队设计算法。利用此算法设计出同轨迹主从编队飞行轨道。通过仿真验证,此算法的位置误差控制在毫米量级,速度误差控制在毫米/秒量级,可以满足当前编队飞行任务的要求。     

天基照相机监测空间目标定轨方法及精度分析

考虑天基照相机观测中小尺寸空间目标时具有能耗低、精度高以及易于小型化实现等优势,研究了利用天基照相机监测空间目标的轨道确定和可观测性计算方法.分析了太阳同步轨道作为天基监视轨道的优点,结合目前国外的几种天基卫星轨道类型,设计了天基卫星轨道,在此基础上仿真分析了对不同轨道类型空间目标的可见观测弧段.根据目前地基光学观测设备的测轨精度和轨道动力学模型误差,添加了不同的测轨系统误差、随机误差及一定的动力学模型误差,仿真分析了对不同轨道高度空间目标的定轨精度.分析结果表明,采用6天7分钟/两天的天基光学测轨数据对近地轨道的空间目标定轨时,若测轨精度优于30″,动力学模型误差小于50％,则定轨精度与美国编目轨道(TLE)精度相当.采用10分钟/天的天基光学测轨数据对地球同步轨道上的空间目标定轨时,若测轨精度优于10″,动力学模型误差小于50％,则定轨精度在美国编目轨道精度范围内.     

利用恒星与地磁场确定卫星自主轨道

提出一种适用于低轨道卫星的自主导航方法。与以往采用星光角距作为观测量的方法不同,该方法利用卫星平台中常见的星敏感器和地磁敏感器确定卫星实时轨道参数;通过对星敏感器的观测数据进行适当转换,将卫星位置单位矢量观测方程转换为线性化方程;对地磁场强度与轨道高度的关系进行拟合,利用磁强计观测数据求取地心距;采用拉格朗日差值算法确定卫星初轨,为滤波器提供初值。由于二体轨道动力学模型的一阶线性化近似引入的系统模型误差影响了滤波器性能,而一阶导数函数值的线性组合可替代高阶导数的函数值,并降低计算量,所以本文在扩展KALMAN滤波器的设计过程中,对状态方程进行了高阶线性化处理,从而提高了滤波器状态方程的离散化精度。最后,用仿真实验验证了这种低轨卫星轨道确定方法的有效性与实用性。     

静电轨道离子阱离子切向引入的新方式和模拟

静电轨道离子阱质谱仪的关键垄断技术是将离子引入静电轨道离子阱的C形离子阱。本工作提出一种新的离子引入方式，即设计了一种O形离子阱，用于将更多的离子以较少的损失引入到静电离子阱中进行分析。O形离子阱嵌套在静电轨道离子阱外轨道上，可以直接使离子从O形圆轨道下滑降轨内切至椭圆轨道，再沿椭圆轨道下滑降轨外切，最终射入静电轨道离子阱中的圆轨道。新的离子引入方式避免了C形离子阱远距离传输离子，离子流可连续进入O形圆轨，在脉冲电压作用下进入静电轨道离子阱；随着离子的引入面增大，离子的引入量有所增加。另外，还推导了离子运动轨迹方程及降轨脉冲的能量方程，对离子引入方式进行模拟，结果表明，多离子多位置同时引入对离子轨迹无明显影响，而离子是否切向引入则至关重要，偏离切向引入会大大降低离子寿命。     

基于领航-跟随法的多机器人编队控制

编队控制是多机器人系统研究的核心问题之一,具有广泛的研究价值。针对编队问题,通过对轮式差分驱动机器人运动模型进行分析,并设计相应的控制器。在传统的领航-跟随模型上,引入“虚拟机器人”,将跟随者机器人对领航者机器人的轨迹跟踪转换为跟随者对“虚拟领航者”的轨迹跟踪。首先,预设定实际领航者机器人的行进路径,由实际领航者引导运动方向的运动轨迹被视为主轨迹,虚拟机器人通过数据产生参考点从而生成参考轨迹,跟随者机器人通过对参考轨迹的跟踪与“虚拟领航者”构成轨迹误差跟踪系统。然后通过Lyapunov的控制理论验证控制器的理论可行性,最后在MATLAB/Simulink仿真平台进行实验,通过改变控制参数来使机器人形成相应的期望队形,在较短的时间内,跟随机器人对参考轨迹的跟踪误差趋向于0且速度收敛,验证了编队系统的可行性。     

基于扩维卡尔曼滤波的火星探测器脉冲星相对导航方法

X射线脉冲星导航稳定、精度高,太阳系范围内均适用,是实现火星探测器自主导航的有效手段之一.针对目前编队深空任务中可采用的相对位置确定方法单一且不自主的问题,提出了一种基于X射线脉冲星的编队火星探测器转移轨道自主相对导航方法.为降低模型误差,考虑了火星及地球对探测器相对导航精度的影响,引入扩维Unsented卡尔曼滤波,降低随机测量误差的同时修正系统状态模型误差.地面半物理仿真实验结果表明该方法的相对位置估计精度可达30 m以内,可以满足火星探测编队飞行的自主相对导航需求.     

火星环绕器姿轨控制误差对高分相机像质的影响

火星环绕器绕火飞行,轨道是大椭圆轨道。高分相机是火星环绕器的有效载荷之一,在其轨道上对火拍摄,其成像质量除与自身参数相关外,还与姿轨控制误差有很大关系。为了实现对火星的高分辨率拍摄,本文对姿轨控制误差与相机成像质量的关系进行了研究。首先,分析了火星环绕器姿轨控制对高分相机像移的影响模型;然后,利用平行光管、动态目标模拟器搭建试验验证平台,通过地面测试设备仿真环绕器平台参数。设置动态目标模拟器产生速度随姿轨参数变化的动态目标,为相机提供拍摄目标。相机实时进行像移计算,并拍摄成像。试验结果表明,当测轨精度不大于1 km时,测速精度不大于1 m/s时,能保证相机动态MTF值下降不超过10%。采用高精度的姿轨控制可保证高分相机在轨成像质量的要求。     

椭圆轨道TDI CCD相机像移匹配计算与成像验证

针对椭圆轨道卫星地心距和前进速度时刻变化对航天时间延迟积分(TDI)CCD相机成像的影响,提出了一种矢量映射分析方法来计算椭圆轨道时变的像移速度矢量。通过建立不同的坐标系,将椭圆轨道卫星在轨运行速度和地物随地球自转的线速度映射至TDI CCD相机像面坐标系。以某临界回归椭圆轨道为例,计算了影响航天TDI CCD相机成像的像移速度矢量和数据读出频率。最后,利用小卫星姿态控制系统半物理仿真平台和TDI CCD原理样机对提出的像移速度矢量映射分析方法进行了实验验证。结果表明:临界回归椭圆轨道一个周期内,参数按照等比缩放原则配置时,对应的偏流角、像移速度矢量和靶标移动速度分别为-3.76~3.22(°)、0.1673~0.72mm/s和19.12~82.24pixel/s,获取的图像能够满足1~2peixl的目标分辨率。实验结果说明,用提出的方法计算像移速度矢量结果准确,可为椭圆轨道航天TDI CCD相机成像匹配提供可靠依据。     

基于领航跟随法的多AUV编队控制算法研究

针对已知路径下基于领航者的多自主水下机器人(AUV)编队队形控制问题,提出了一种AUV路径控制和编队协调控制相结合的新型编队控制器。其中,AUV的路径跟踪控制采用反步滑模控制器,将AUV位置、姿态和时变速度跟踪转化虚拟速度控制,使AUV能达到期望的位置、速度等,避免了反步控制中的奇异值问题,并能够很好实现不确定的模型的控制,同时又提高了跟随者协同定位精度;在路径跟踪控制基础上,编队协调控制器将领航者与跟随者的位置误差控制转化为跟随者的速度误差控制,使跟随者能快速达到期望位置,从而使所有AUV实现期望的队形并保持。仿真实验对该控制策略进行了可行性验证,结果表明,该算法提高了编队的响应速度、控制精度和稳定性;再应用3台AUV进行了湖上试验验证,证明了该控制策略的有效性,能有效应用到实际中。     

激光线投影技术在轨道车辆全位置焊接控制系统中的应用

为降低投影距离的定位误差，保证轨道车辆在焊接过程中的施工精度，基于激光线投影技术设计轨道车辆全位置焊接控制系统。设计光学反馈模块，确定机械光源、摄像机和镜头的结构参数；设计嵌入式平台，基于数据控制单元，实现数据的接收、连接、终止与处理。通过计算水平角与俯仰角的偏差值，自动建立轨道车辆焊接位置坐标系，计算激光投影误差，在旋转坐标下获取高斯分布的模版参数，实现激光线投影技术在轨道车辆全位置焊接控制系统中的应用。在实验中，对比4种不同焊接方法在X轴、Y轴、Z轴中对目标点的定位误差，结果表明，目标点的定位误差会随投影距离增加而增加，其中激光投影技术在投影距离不超过5 m时的定位误差均小于3 mm,可见该方法的控制精度较好。