中国空间科学技术

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基于自适应迭代学习的小行星绕飞容错控制

黄怡欣, 李爽, 江秀强

2017 (1): 1-10. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0002

摘要 ( 866 )

PDF(5003KB) ( 735 )

对于小行星绕飞任务的探测器姿态控制问题，已有方法大都考虑了干扰力矩和参数不确定等因素，而忽视了执行器故障情况。针对执行器故障条件下的小行星探测器姿态控制问题，提出了一种基于自适应迭代学习的容错控制方法。所设计的控制器包括两部分：其一针对执行器故障，设计了自适应迭代学习控制器，采用类滑模的思想和自适应迭代学习算法对控制器参数进行调整，进而补偿执行器故障带来的影响，保证系统在控制输出不足情况下的高精度姿态稳定性；其二针对探测器参量变化、外部环境干扰等不确定情况，设计了基于自适应神经网络的迭代学习控制器，采用径向基函数（RadialBasisFunction，RBF）神经网络对系统非线性部分进行逼近，同时对控制器参数进行自适应迭代学习调整，进而保证系统在不确定情况下的动态性能。数值仿真结果表明该控制器能够有效抑制外部环境干扰和内部参数变化带来的不利影响，在执行器部分失效甚至完全失效故障情况下，仍能保证系统的鲁棒性并实现误差在10^-2数量级内的较高姿态控制精度。

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协同控制下的空间信息网络简单虚拟局域网构想

程禹, 胡维多

2017 (1): 11-18. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0003

摘要 ( 958 )

PDF(3686KB) ( 751 )

针对空间信息网的组网实现问题，考虑卫星通信网络的长时延、动态性、资源受限等网络特性，提出了一种协同控制下的虚拟局域网组网构想：首先，通过将空间信息网络划分成多个虚拟局域网的方法分割空间广域网，减轻星载计算机的信息处理负担和带宽资源的无谓损耗。其次，基于一致性算法，在协同控制律中加入路由算法实现虚拟局域网内节点卫星信息的两两联通，提高空间信息网络的可靠性和协同处理性能，将这种时变时滞协同控制律应用在空间信息网结构中能够实现空间强连通组网，应用于单个卫星上则可以实现关键节点卫星的冗余备份和负载均衡。最后，模拟仿真空间信息网框架结构和冗余节点虚拟局域网，在50s内迅速实现预定轨迹收敛，且收敛后具有较为稳定的星间时延，从而验证了方案的可行性。

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基于行为的非合作目标多航天器编队轨迹规划

王涛, 许永生, 张迎春, 谢成清

2017 (1): 19-25. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0006

摘要 ( 673 )

PDF(5586KB) ( 1166 )

目前航天器编队轨迹规划的研究并未综合考虑目标非合作性、构型复杂性及控制协同性等问题，针对非合作目标多航天器编队系统，提出了一种基于行为的相对运动轨迹规划方法。首先，基于聚集行为模型设计了期望运动场，将期望速度视为一系列具有不同行为特性的速度矢量和，通过构造平衡态构型公式计算行为调节参数。其次，采用高斯型环境函数描述了非合作目标特性，并通过C-W方程对期望运动场进行了改进，使得该方法在多航天器编队系统与非合作目标形成期望构型的过程中，既能避免编队成员之间发生碰撞，又能保证与非合作目标之间的安全距离。仿真结果表明，该算法可以使多航天器编队系统在3000s内运动至期望构型。该方法在复杂的、多个控制目标的编队飞行轨迹规划中优势明显，具有自主性、协同性、鲁棒性强等特点，同时可应用于不同类型的编队构型相对运动规划。

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自适应空间机动目标跟踪算法

林浩申, 刘刚, 何兵

2017 (1): 26-32. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0010

摘要 ( 793 )

PDF(1862KB) ( 1223 )

在空间目标跟踪问题中，目标机动导致的模型不匹配问题会导致滤波算法出现滞后现象。为了对空间机动目标进行快速跟踪，在平方根容积卡尔曼滤波〖（SquarerootCubatureKalmanFilter，SCKF）的基础上，引入强跟踪滤波（StrongTrackingFilter，STF）的思想，推导得到了次优渐消因子在SCKF中的等价描述。并通过建立以矩匹配方法为基础的自适应机制，设计了兼顾滤波精确性和鲁棒性的自适应强跟踪平方根容积卡尔曼滤波（AdaptiveStrongTrackingSquarerootCubatureKalmanFilter，ASTSCKF）算法。仿真结果表明，在目标机动前，AST-SCKF算法和SCKF算法的位置收敛精度相差不足1%；在目标机动后，AST-SCKF算法的位置和速度的收敛精度相对SCKF算法分别提高了95.19%和30.50%，同时，其收敛速度相对SCKF算法分别提高了57.20%和24.68%。

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空间双柔性机械臂刚-柔耦合建模及定标误差分析

古青波, 李昂, 赵会光

2017 (1): 33-40. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0011

摘要 ( 650 )

PDF(5927KB) ( 631 )

为研究空间多自由度机械臂在作大范围运动时臂杆柔性和关节柔性对末端定标精度的影响，考虑柔性臂杆的横/侧向弯曲变形所引起轴向伸缩的二次耦合项，采用计入集中质量的转子扭簧模型描述关节的柔性效应；提出了基于臂杆柔性的D-H参数法，递推出空间机械臂的柔性机构运动方程；应用Hamilton原理建立了空间双柔机械臂的一次近似刚-柔耦合动力学方程。对空间六关节双柔机械臂末端定标误差进行仿真，结果表明：臂杆的柔性和关节的柔性在空间机械臂的大范围运动中是相互耦合的；在工程应用中，需要将抓取目标设定在机械臂定标误差较小的方向上，以提高抓捕和操作的成功性。

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基于MHSS算法的ARAIM完好性和可用性预测

吕宗平, 倪育德, 陈君, 刘瑞华, 朱金芳

2017 (1): 41-48. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0012

摘要 ( 922 )

PDF(11835KB) ( 359 )

传统的接收机自主完好性监视只能提供非精密进近阶段的完好性监视，无法实现对完好性要求更加严格的飞行阶段的监视，而高级接收机自主完好性监视（AdvancedReceiverAutonomousIntegrityMonitoring，ARAIM）可以在精密进近阶段为飞机提供满足航向信标性能垂直引导（LocalizerPerformancewithVerticalguidance，LPV）的完好性监视服务。文章基于多假设分组解算法，根据目前的星座环境，结合民航不同飞行阶段的应用需求，对ARAIM算法进行仿真研究。针对水平保护级（HorizontalProtectionLevel，HPL）和垂直保护级（VerticalProtectionLevel，VPL）的指标，在不同星座组合环境下，选取南北半球不同经纬度的5个观测机场，分别仿真了HPL和VPL的变化情况，并对全球HPL和VPL平均分布趋势，以及以99%的概率满足LPV-200进近可用性指标时，ARAIM可用性的全球覆盖率进行了仿真预测分析。仿真结果表明，不论是全球定位系统和格洛纳斯双星座还是增加北斗卫星导航系统后的三星座，5个观测机场的HPL和VPL均能满足LPV-200进近对完好性指标的要求；但在全球范围内，双星座条件下，ARAIM并不能完全支持LPV-200进近对完好性监视的要求，而三星座则可大大提高ARAIM的可用性，为民航用户提供满足精密进近的所需导航服务性能。

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显示多体动力学方程自动编制技术

李瑾岳, 胡权, 张景瑞

2017 (1): 49-56. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0005

摘要 ( 634 )

PDF(1575KB) ( 662 )

为高效得到复杂柔性多体航天器的动力学方程解析表达式，研究了系统动力学方程自动编制技术。首先，基于Kane方法推导了构型简单的链状多体系统动力学显式方程；然后，根据方程中各项物理意义和分布规律，开发了适用于树状构型多体航天器的解析动力学方程输出程序，并运用Latex软件对输出文本进行二次编译，增强输出复杂数学公式的可读性。所得方法极大地简化了对此类航天器的建模工作。

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地月自由返回轨道设计

王丹阳, 邓辉

2017 (1): 57-65. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0013

摘要 ( 1018 )

PDF(4939KB) ( 920 )

载人月球探测任务需要着重考虑任务的安全性，能否“自由返回”是很重要的一项指标。在轨道设计上存在两项要求，首先是地月转移，然后是经月球近旁转向并判断能否返回地球，即实现飞越月球以后的无动力返回。文章结合精确的行星历表(DE405)，首先比较不同力模型中同一条轨道的返回情况，以确定初始轨道设计过程中需要考虑的摄动力；然后分析了返回时近地距的各种影响因素,包括出发时刻、转移时间、倾角组合等，提出了一种可使返回近地距逐渐向设定的目标值靠拢的单向搜索方法，该方法简单易行,可信度高，能够满足轨道设计时要求的各项约束条件。该工作对中国将要进行的载人月球探测任务中需要用到的自由返回轨道的设计具有一定的参考价值。

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管路布局方式对载人航天器辐射器散热能力的影响分析

靳健, 王宇宁

2017 (1): 66-74. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0009

摘要 ( 652 )

PDF(11186KB) ( 351 )

以采取双管路并联结构的载人航天器圆筒辐射器为研究对象，建立了辐射器散热能力数值分析模型，对比分析了不同参数下，并联支路工质相同流动方向和相反流动方向两类布局方式给辐射器散热能力带来的影响，选取的参数包括管路长度、管路进口工质温度和液体工质流量。计算结果表明，在辐射器面板面积和流体回路长度相同的前提下，两类管路布局方式对应的辐射器散热能力存在不可忽视的差别。随着管路长度的增加，入口工质温度的增加，工质流量的减小，工质流向相同的辐射器散热能力越来越高于工质流向相反的辐射器。在文章的参数设定下，工质流向相同的辐射器与工质流向相反的辐射器间最大散热能力差别可达到19.5%，最小散热能力差别可达到16.7%。

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星载AIS报文时间解析

李世友, 陈利虎, 陈小前

2017 (1): 75-81. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0014

摘要 ( 1204 )

PDF(4897KB) ( 1372 )

星载船舶自动识别系统（AutomaticIdentificationSystem,AIS）接收到的报文中解析出发送报文的时间信息能够有效提高AIS报文在全球海上目标监控等方面的应用价值。着眼于动态显示某一特定船舶进行连续跟踪这一目的，结合天拓一号AIS和天拓三号AIS来研究报文中的时间信息。首先，利用天拓一号星载AIS在轨运行期间接收到的所有数据进行统计分析。通过统计分析发现仅仅依靠报文自身的自组织时分多址（Self-OrganizingTimeDivisionMultipleAccess，SOTDMA）通信状态等信息不能有效解析报文时间。其次，研究了天拓三号AIS的报文组成格式。通过每间隔1min往星上存储器中植入一个时间信标的方式，天拓三号AIS系统很好地解决了问题，实现了对每一条报文的精确时间显示，为今后实现海面船舶进行连续跟踪与监视提供了良好的技术基础。

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基于数值预报模式的Ka频段卫星系统降雨衰减短时预测

王洪锋, 张晖, 李强, 卢昌盛

2017 (1): 82-88. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0008

摘要 ( 877 )

PDF(8760KB) ( 398 )

为精确地实现Ka频段星地链路降雨衰减的短时趋势和强度预测，提出了一种基于数值天气预报的降雨衰减短时预测方法，设计了降雨衰减预测流程，并应用上述方法对某地区发生的降雨过程进行研究，比较分析了降雨衰减的实测值和基于数值预报的降雨衰减预测值。试验结果表明，基于数值预报的降雨衰减和实测值变化趋势符合较好，误差较小，在20GHz频段平均误差约为1.31dB，在30GHz频段平均误差约为2.39dB，在20GHz频段平均误差约为1.31dB,在30GHz频段平均误差约为2.39dB。该方法可实现Ka频段卫星通信系统的短时降雨趋势预测。

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中继卫星支持海量航天器在轨测控技术

单长胜, 李于衡, 孙海忠

2017 (1): 89-96. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0017

摘要 ( 695 )

PDF(2541KB) ( 1131 )

目前中低轨的卫星在轨测控主要基于地面测控设备，当管理的在轨卫星数量持续增加时，需要不断地建设新的测控站或增加测控设备，同时由于地球遮挡限制，一个地面测控站的测控范围只占一颗卫星运行弧段的很小部分，集中在国内建设的地面测控站无法解决轨道全弧段覆盖难题。地球静止中继卫星系统的高覆盖特性和多址服务能力为近地卫星在轨测控提供了空间和频域的多重复用能力，文章从中继链路性能、多目标服务项目、多目标服务能力、覆盖特性等方面进行了详细分析，结果表明在现有的管理模式下，3颗具有多址能力的中继卫星就能管理中国目前在轨的和今后一段时间发射的所有近地卫星，这将显著降低在轨卫星对地面测控设备的需求。同时，中继多址测控服务模式可以克服现有在轨卫星管理时间域集中和应急能力差的缺陷，为卫星用户提供更多的服务手段，满足不同在轨卫星管理和使用要求，大幅提升在轨卫星的安全性和使用效率。

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一种敏捷卫星积分时间计算方法

朱剑冰, 张猛, 汪路元, 袁珺, 程博文, 赵魏

2017 (1): 97-103. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0018

摘要 ( 665 )

PDF(4191KB) ( 760 )

敏捷卫星成像过程中姿态变化灵活，积分时间变化剧烈，传统卫星积分时间计算模型已无法满足精度要求。因此，提出一种改进的积分时间计算模型，在星地斜距计算和摄影点地速计算两方面作了改进。星地斜距计算时利用地表数字高程模型修正理论的斜距值，摄影点地速计算中增加姿态角速度对卫星本体坐标系角速度矢量的影响，并设计了整个算法在星上数管分系统中的实现方案。最后在星载嵌入式环境下进行了仿真计算，并与地面仿真计算结果进行了比对分析。两者比对偏差在0.01‰以内，可以满足相机成像质量要求。

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北斗三频相位观测值线性组合研究

颜怀成, 韩保民, 张家新

2017 (1): 104-110. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0019

摘要 ( 740 )

PDF(4381KB) ( 751 )

以北斗三频数据为基础，给出了北斗三频组合观测值的数学模型并系统分析了组合后的波长、电离层误差以及观测噪声误差；在保持整周模糊度整数特性的前提下，以整数线性变换法为基础，通过Matlab编程实现组合系数的优化选取。通过将不同组合系数应用于伪距相位法三频数据周跳探测中，发现组合系数之和不为0的组合周跳探测值均在0.5周以上，且组合系数之和越大，波动越大；通过将不同组合系数应用于无几何CIR法三频数据模糊度解算中，发现系数之和不为0,但波长较长的组合求得的模糊度残差值大致在0.6周，通过合适的模糊度搜索方法可以得到正确的模糊度固定解，在短基线模糊度解算中可以考虑使用。

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再入航天器表面亚波长等离子体薄层对微波信号影响效应研究

王志斌, 孔繁荣, 鄂鹏, 梁银川, 赵媛

2017 (1): 111-116. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0020

摘要 ( 682 )

PDF(3313KB) ( 602 )

为了建立电磁波在亚波长等离子体薄层中传播的物理数学模型，并针对通信频段的电磁波，研究电磁波在再入航天器表面等离子体薄层中的透射问题，相关研究成果可为再入航天器通信“黑障”现象研究提供理论基础。模型从麦克斯韦方程组出发，采用微分薄层法进行数值求解，获得了不同等离子体密度条件下亚波长等离子体中目标电磁波的透射特性及传播规律，揭示了截止反射效应和碰撞吸收效应在其中发挥的作用。本研究对于深入了解亚波长碰撞等离子体薄层中电磁波的传播过程具有意义。

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北斗和GPS双模接收机干扰抑制算法的设计与实现

张建立, 杨祖芳, 潘伟, 郑建生

2017 (1): 117-123. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0007

摘要 ( 776 )

PDF(8248KB) ( 421 )

目前北斗/GPS双模接收系统的抗干扰研究还比较少，主要是针对GPS的抗干扰研究。北斗和GPS接收机易被干扰，为了改善强干扰环境下接收机的性能，研究不同阵列、不同算法对接收机抗干扰性能的影响,在GPS的抗干扰研究的基础上设计并实现了一套北斗和GPS双模接收系统的抗干扰平台。实验结果表明，该系统能使北斗和GPS双模接收机在-30dBm强干扰的环境下搜到6颗北斗导航卫星和5颗GPS导航卫星，并正常定位，说明该系统能达到干扰抑制的目的。该系统也可推广至多种卫星导航接收机的抗干扰平台。

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