转台控制实时虚拟监测及卫星动画演示技术研究

针对卫星姿态控制物理仿真实验任务的需要,在单轴气浮物理仿真平台环境下,研制了转台机动控制参数实时监测和卫星三维动画实时仿真演示实验系统;用LabVIEW软件实现了转台机动控制参数实时采集及显示,自动打印及自动存储功能,并调用STK的Connect函数功能,实现了转台机动过程的卫星实时三维图形动画演示功能,并在LAN下实现数据共享和数据备份;该实验系统可提供转台机动控制参数,如机动角度,机动时间,机动角度误差,最小机动角度,最大机动角度及卫星三维姿态和轨道实时仿真参数;实验结果表明达到了预定设计效果和实验任务要求。     

基于STK的卫星轨道机动模型设计与仿真

轨道机动是卫星完成任务常用的手段，在分析卫星星下点轨迹和覆盖区计算方法的基础上，以能量消耗最少为约束条件，对分辨率不符合要求、过境时间不符合要求、卫星在一昼夜内不过境三种情况下的卫星轨道机动问题进行了分析和理论推导，得出相应的卫星轨道机动模型，并采用STK对几种轨道机动方案进行编程设计，通过二维和三维图进行演示，计算结果与STK的数据达到高度一致，全面验证了轨道机动中的各种关键模型，对卫星轨道机动的实际应用有较好的借鉴价值。     

针对GEO目标带的天基光学观测姿态规划研究

为了提高太阳同步轨道卫星对GEO轨道带目标的观测效率,在分析观测位置和传感器视轴指向与太阳同步轨道卫星对静止轨道带扫描速度基础上得到传感器视轴的最佳指向以及对应的GEO带上的最佳观测点,并提出了关于最佳观测点的姿态规划策略,并对在地影影响下有/无姿态机动时的观测效率进行了对比仿真分析.仿真结果表明:对于SBV传感器视场在1.5°×1.5 °时,最佳观测点的控制策略就能够完成对GEO轨道带的完全覆盖,相较于无姿态机动时,对静止轨道带的观测时间可提高一倍.     

基于进化算法的人造卫星轨道优化设计与仿真

进化算法因其较强的搜索能力已被广泛应用于卫星轨道求解当中,但传统的方法是在轨道建模的基础上解微分方程得出,因轨道模型要考虑很多摄动因素,所以运算量巨大,充分运用STK软件强大、精确的卫星轨道机动运算功能,利用STK软件的连接模块将进化算法得到的数据输入到STK的轨道机动模块,算出卫星发射轨道并求出最佳机动方案,使算法简单可靠.最后,通过STK的轨道机动模块、三维显示模块对设计出来的轨道仿真演示.实例结果证明了该方法的有效性.     

面向观测任务的小卫星轨道仿真优化设计

研究对地观测小卫星轨道设计问题,是以区域覆盖性能为优化目标,对小卫星进行轨道设计。传统轨道设计方法要建立复杂的轨道动力学模型,优化过程计算量大、效率低,优化结果对不确定因素考虑不足。针对以上问题,结合遗传算法(GA)与灵敏度分析对面向区域观测任务的小卫星轨道进行优化设计。通过连接STK与VC实现覆盖性能计算,利用遗传算法实现小卫星轨道优化,采用灵敏度分析方法研究优化后的轨道参数变化对覆盖性能的影响程度。仿真结果表明优化后的小卫星轨道满足设计要求,能够达到覆盖性能最优。仿真结论,改进方法简单有效,优化效率高,可为实际工程中的小卫星轨道设计提供借鉴。     

平流层卫星轨道控制建模与仿真研究

平流层卫星由超压气球提供静浮力,气动帆提供轨道控制力,系绳传递各力.能够在一定纬度范围内沿东西方向缓慢运动,因此平流层卫星是一种良好的通信与对地观测平台.首先分析平流层风场特性,给出平流层卫星的组成与工作原理,采用"质量-集中弹性绳"模型,把气球和气动帆分别看作系绳节点,根据各部分动力学特性分别建模;采用Matlab软件平台进行动态仿真,利用不同海拔之间的风速差,产生侧向控制力进行南北方向轨道控制的方法.仿真结果证实气动帆轨道控制系统能够实现平流层卫星南北方向的稳定控制与机动调整.     

基于混合算法的航天器轨道规划方法

空间在轨服务过程中,当目标航天器周围有若干小卫星环绕时,服务航天器要避开小卫星的安全范围,与目标航天器成功交会并进行在轨服务,航天器的机动轨道规划是其重要前提;在路径规划中,遗传算法应用广泛,但是求解实际问题的时间容易受到染色体基因等算子数目的影响,求解效率未得到保证;提出了一种混合遗传算法,将遗传算法全局搜索能力和模拟退火算法较强的局部搜索能力进行整合,以服务航天器机动轨道的路径安全、任务时间、燃料消耗、总路程等为约束条件,并对算子进行特殊设计,规划出最优机动轨道路径;通过场景假设和仿真实验证明,该混合遗传算法能够规划出符合约束条件的最优机动轨道路径,并且极大地提高了求解效率。     

敏捷卫星时间最优姿态机动研究综述

敏捷卫星是新一代的对地观测卫星,凭借其出色的机动性能带来了巨大的军事利益与商业利益.它最大的优势是具有快速姿态机动的能力,其研究的重点之一也正是快速姿态机动问题,需要通过优化来获得最短时间的姿态机动策略.本文围绕敏捷卫星的时间最优姿态机动问题,分别从时间最优姿态机动的优化求解和时间最优解的特性两个方面对该问题的研究现状进行了综述.     

基于分解优化的多星合成观测调度算法

某些卫星的侧摆性能较差, 必须进行合成观测以提高观测效率. 研究了多星联合对地观测中的任务合成观测调度问题. 提出了将原问题分解为任务分配与任务合成的分解优化思路. 任务分配为任务选择卫星资源及时间窗口; 任务合成则针对该分配方案,将分配到各卫星的任务按照轨道圈次分组, 分别进行最优合成. 采用蚁群优化算法(Ant colony optimization, ACO)求解任务分配问题, 通过自适应参数调整及信息素平滑策略, 实现全局搜索和快速收敛间的平衡.提出了基于动态规划的最优合成算法, 求解任务合成子问题,能够在多项式时间内求得最优合成方案. 依据分配方案的合成结果, 得到优化方案的特征信息, 反馈并引导蚁群优化算法对任务分配方案的搜索过程. 大规模测试算例验证了本文算法的效率.     

区域侦察小卫星星座设计与仿真

为满足全球观测需求,传统遥感卫星星座通常采用玫瑰星座或Ω星座,而此类星座无法满足对特定区域进行连续重复观测的需求,且星座本身无法完成观测信息的及时回传。针对上述问题,设计了利用MEO中继卫星的太阳同步回归轨道模型和共地面轨迹轨道模型。通过仿真分析两种轨道模型,发现同步太阳轨道星座可以提供独特的周期重复观察特性,但同样高度下的太阳同步轨道星座对特定区域连续覆盖性能远远低于共轨迹星座。研究证明了基于MEO中继卫星的共地面轨迹星座可以满足对地连续重复观测及实时回传信息的需求。     

双模冗余器载计算机设计与实现

器载计算机是航天器电气系统的重要组成部分,其可靠性对航天器能否完成任务至关重要。为了保证航天器上计算机在出现故障时仍能正常工作,对双机冗余器载计算机的体系结构、切换策略、判别准则等内容进行了研究,在保留主份机与双机切换电路、备份机与双机切换电路之间的状态工作信号的基础上,通过在主份机、备份机之间新增加一个状态工作信号,提出了一种改进的自主切换策略。实践表明,运用改进的自主切换策略,在双机切换电路中的自主切换模块出现故障时仍能实现自主切换,同时将比较器设计为软件,采用软件表决、软件选通的思路,消除了硬件比较器的关键单点故障,这些容错设计改进能有效地提高器载计算机系统的可靠性,对高可靠器载计算机设计与实现具有较好的工程参考意义。     

Pre-LOI trajectory maneuvers of the CHANG’E-2 libration point mission

This paper addresses pre-LOI (before Lissajous orbit insertion) trajectory maneuvers for the libration point mission of CHANG’E-2,which is the first Chinese satellite to fly to the Sun-Earth L2 libration point and the first satellite ever to fly to the L2 point from lunar orbit.First,a transfer trajectory for the mission is designed based on InterPlanetary Superhighway theory under the constraint of the remaining propellant,TT&C (telemetry,track and command) and sunlight conditions.The effects of trajectory maneuver errors on the mission are also analyzed.Second,based on the analysis results,the article investigates the trajectory maneuver schemes for the lunar escape and transfer trajectory maneuvers employing mathematical models and operational strategies.The mission status based on our maneuver schemes is then presented,and the results of control operation and corresponding analysis are provided in detail.Finally,the future trajectory maneuver in the Lissajous orbit is discussed.According to the analysis of the CHANG’E-2 TT&C data,the trajectory maneuver schemes proposed in the article work properly and efficiently.     

Nonlinear programming control using differential aerodynamic drag for CubeSat formation flying

Because of their volume and power limitation, it is difficult for CubeSats to configure a traditional propulsion system. Atmospheric drag is one of the space environmental forces that low-orbit satellites can use to realize orbit adjustment. This paper presents an integrated control strategy to achieve the desired in-track formation through the atmospheric drag difference, which will be used on ZJUCubeSat, the next pico-satellite of Zhejiang University and one of the participants of the international QB50 project. The primary mission of the QB50 project is to explore the near-Earth thermosphere and ionosphere at the orbital height of 90–300 km. Atmospheric drag cannot be ignored and has a major impact on both attitude and orbit of the satellite at this low orbital height. We conduct aerodynamics analysis and design a multidimensional nonlinear constraint programming (MNLP) strategy to calculate different desired area–mass ratios and corresponding hold times for orbit adjustment, taking both the semimajor axis and eccentricity into account. In addition, area–mass ratio adjustment is achieved by pitch attitude maneuver without any deployable mechanism or corresponding control. Numerical simulation based on ZJUCubeSat verifies the feasibility and advantage of this design.     

NSGA-Ⅱ算法在空间服务应急任务中的应用

给出了空间应急任务的解决方法,当发生需要空间服务的应急任务时,首先利用现有卫星组成的星座对目标地点进行覆盖计算,如果其覆盖性能不满足任务需求,就用NSGA-Ⅱ算法对卫星星座进行优化设计,这里优化星座中每颗卫星的平近点角;然后利用调相机动实现星座优化结果,将卫星机动到指定位置,并计算每颗卫星的机动时刻以及机动所需要的能量;最后给出了应急任务算例和它的具体解决过程,计算出了卫星机动变轨的时刻和所需能量。     

Real-time detection of ventilatory maneuvers by a microcomputer

The SYTER software system was built around an Apple II microcomputer to automatically process the data yielded by three ventilatory tests: analysis of lung elasticity during an expiratory maneuver, plethysmographic measurement of airway resistance during a panting maneuver, and similar measurements of lung volumes. A volume signal is displayed to the operator throughout each test to help control the maneuver. The various stages of the test are recognized in real time by routines written in assembling language, so that significant data are displayed and stored during the maneuver. This paper describes the algorithms used to perform waveform analysis, and presents illustrative displays obtained in the Lung Function Laboratory.     

Preliminary experiments on technologies for satellite orbital maintenance using Micro-LabSat 1

For maturation of space activities, not only developing and using space systems is important, but also performing maintenance on them in their orbital environment is necessary in order to use them efficiently. The Communications Research Laboratory (CRL) has been studying an orbital maintenance system (OMS), specifically an on-orbit satellite maintenance system. An important first step is the capability to autonomously recognize and rendezvous with a target satellite. The CRL developed a microprocessor multi-chip module to control the OMS, including its robotic system and image processing, and installed it on Micro-LabSat for a mission called Micro-OLIVe (MicroLabSat was developed by NASDA and launched in 2002 together with the environment observation technology satellite ADEOS-II). In this paper, we describe the OMS concept, our experimental system and results of the Micro-OLIVe experiments. These experiments aimed at using the microprocessor multi-chip module to control the OMS, its camera units that use conventional C-MOS digital still cameras and its software used for flexible image processing.     

基于终端诱导强化学习的航天器轨道追逃博弈

针对脉冲推力航天器轨道追逃博弈问题, 提出一种基于强化学习的决策方法, 实现追踪星在指定时刻抵近至逃逸星的特定区域, 其中两星都具备自主博弈能力. 首先, 充分考虑追踪星和逃逸星的燃料约束、推力约束、决策周期约束、运动范围约束等实际约束条件, 建立锥形安全接近区及追逃博弈过程的数学模型; 其次, 为了提升航天器面对不确定博弈对抗场景的自主决策能力, 以近端策略优化 (Proximal policy optimization, PPO) 算法框架为基础, 采用左右互搏的方式同时训练追踪星和逃逸星, 交替提升两星的决策能力; 在此基础上, 为了在指定时刻完成追逃任务, 提出一种终端诱导的奖励函数设计方法, 基于CW (Clohessy Wiltshire)方程预测两星在终端时刻的相对误差, 并将该预测误差引入奖励函数中, 有效引导追踪星在指定时刻进入逃逸星的安全接近区. 与现有基于当前误差设计奖励函数的方法相比, 所提方法能够有效提高追击成功率. 最后, 通过与其他学习方法仿真对比, 验证提出的训练方法和奖励函数设计方法的有效性和优越性.     

某大机动无人机基于飞行任务的敏捷性评估飞行科目设计与仿真

由于现代空战的特点,根据时间量级分类的单维度的敏捷性评估已经不能满足空战的需求。为了优化控制系统的设计,最大限度地发挥飞机的飞行性能,需要对大机动无人机进行基于飞行任务的敏捷性评估。针对大机动无人机敏捷性评估的特点,从20个标准评估机动任务集中选取了3种与某无人机实际使用相关性较强的飞行任务作为其评估机动,展开了无人机基于飞行任务的敏捷性评估和仿真验证。对选取的3种飞行任务进行了详细的敏捷性评估方法描述,在通用的无人机敏捷性评估仿真环境中对加入非线性飞行控制律的某大机动无人机进行了基于3种飞行任务的敏捷性评估仿真验证,根据评估结果对控制律进行调参,为控制律设计提供指南和优化依据。