中国空间科学技术

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小卫星非常规动力学分析与控制

白照广, 杨新峰, 崔玉福, 刘质加, 邓卫华

2019 (6): 1. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2019.0044

摘要 ( 370 )

PDF(2387KB) ( 321 )

针对小卫星研制中出现的一些非常规动力学问题进行研究，并提出解决办法。针对小卫星组件最大冲击谱量级超出常规冲击试验规范谱的分析与验证困难，通过研究提出了能够分析评估组件高量级冲击的方法。针对小卫星随机振动下强度设计方法还存在较大误差，分析了系统模态质量比与模态频率在一定频段的影响规律，认为忽略模态质量耦合会带来误差，提出了考虑模态质量耦合的准静态载荷计算方法。最后，针对小卫星整星开展了减振研究，分析了正弦和随机减振效果，对于对称安装减振系统，提出了减振系统的主频率计算公式。

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扁平体空间非合作目标多指外包络抓捕构型设计

孙冲, 万文娅, 崔尧, 袁建平

2019 (6): 8. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2019.0045

摘要 ( 318 )

PDF(10599KB) ( 139 )

针对空间非合作目标抓捕问题，提出了一种扁平体空间非合作目标多指外包络抓捕最优构型设计方法。该方法的核心在于：选择抓捕机构的主手指并控制它跟踪包络点；根据抓捕机构的多指几何关系计算从手指可行抓捕构型；利用外包络抓捕约束条件，以及碰撞检测约束条件，筛选出有效包络构型。与已有方法相比，该方法采用主从抓捕的简洁模式，可以大大降低抓捕构型优化的计算量，适用于空间非合作目标实时在轨抓捕。进一步，引入了抓捕安全裕度的概念，用于量化抓捕机构多指形成的抓捕包络空间和空间非合作目标运动包络之间的安全裕度。考虑到形成抓捕构型之前尽量避免空间非合作目标与抓捕机构发生碰撞，避免产生二次碎片，在设计抓捕外包络构型时选择最大抓捕安全裕度构型作为最优构型。将该算法分别应用到四边形和正五边形运动目标包络问题中，仿真结果表明了其有效性。

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多星近距离绕飞观测任务姿轨耦合控制研究

徐影, 张进, 于沫尧, 许丹丹

2019 (6): 21. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2019.0046

摘要 ( 619 )

PDF(6611KB) ( 450 )

针对多星近距离绕飞观测任务，建立了相对姿态轨道动力学模型，分别考虑了在椭圆、空间圆绕飞轨道上观测卫星的两种期望三角形编队构型，以观测卫星视线始终指向目标为期望姿态，采用基于四元数和角速度误差反馈的比例微分控制律以及一种改进的基于人工势场法的制导方法相结合,对相对姿态及轨道进行控制。仿真结果表明：在控制律的作用下，绕飞过程中各观测卫星均能够有效地跟踪期望相对姿态和期望相对轨道；在空间圆绕飞轨道构型中，各观测卫星从初始同一位置出发后，在任意时刻3颗观测卫星构成的编队构型始终为正三角形，且正三角形的边长从零逐渐增大，最终等于期望正三角形构型的边长。

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45°(N)纬度带的Klobucharlike电离层延迟季节修正模型与评估

李启航, 王剑, 刘瑞华

2019 (6): 30. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2019.0047

摘要 ( 376 )

PDF(6872KB) ( 120 )

电离层延迟是全球卫星导航系统（GNSS）的主要误差源之一。对于装配GNSS单频接收机的航空器，选择简单有效的Klobuchar广播电离层模型来改正电离层延迟误差，其修正率为50%～60%。针对45°（N）纬度带，提出了更高电离层修正需求。考虑到季节因素对中高纬度地区电离层的显著影响，利用GIMs（Global Ionospheric Maps）分析了昼夜中TEC（Total Electron Content）的峰值和谷值随季节（年积日）的变化，建立了一种适用于45°（N）纬度带的Klobucharlike电离层模型。该模型不增加广播模型系数，新模型的夜间和VTEC高峰时电离层修正率分别达到了82%和80%，表明在穿刺点集中的45°(N)纬度地区使用该模型可以更精确地描述该地区的电离层，帮助航空器实现更高精度的定位。

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基于火卫二视线测量的火星接近段自主导航算法

唐青原, 王晓磊

2019 (6): 38. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2019.0048

摘要 ( 288 )

PDF(3716KB) ( 458 )

针对火星接近段导航通信时延大、存在通信盲区、自主导航可用观测信息有限等问题，提出了一种基于一组火卫二相对探测器视线矢量测量的天文自主导航算法，每个导航周期测量一组火卫二视线矢量可得到其中某一时刻探测器的完整轨道信息的估计值，该方法不依赖于轨道渐近线方向等先验信息。考虑到存在火卫二和火星在同一视场的情形，此时结合火星中心视线矢量方向以及火卫二的星历信息可估计出精度较高的探测器轨道半径，作为第一种方法的补充观测量，提高导航精度。最后给出仿真校验，验证了该方法的导航精度和可行性，表明该方案能够满足未来火星探测接近段自主导航需求。

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GEO卫星快速发射入轨定点控制方法

陈记争, 孙松涛, 冯刚, 肖余之

2019 (6): 47. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2019.0049

摘要 ( 451 )

PDF(6501KB) ( 768 )

提出了一种GEO卫星快速发射入轨定点方法，运载火箭将卫星发射进入GTO轨道后，由上面级或卫星自身在48h内快速定点到GEO轨道任意指定定点位置。考虑时间、测控等约束，在选定变轨策略基础上，以燃料消耗最小为目标，优化给出了快速入轨定点标称轨迹。采用无奇异的春分点根数描述轨道运动，基于最小二乘法给出了航天器在有限推力条件下变轨的闭环显式制导方法，控制航天器沿标称轨迹飞行。仿真算例表明，采用该变轨策略、轨道优化设计方法和制导律，可以完成GEO卫星快速入轨定点控制。

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低轨导航增强卫星星座设计

田野, 张立新, 边朗

2019 (6): 55. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2019.0050

摘要 ( 855 )

PDF(7032KB) ( 409 )

针对目前全球低轨卫星快速发展的现状，对低轨导航增强卫星星座设计方法进行了详细的研究。首先推导了轨道高度与可视球冠的关系，结合太空垃圾分布，从覆盖范围、经济性及碰撞风险几方面联合确定了轨道高度。然后推导了用户仰角与轨道倾角的关系，分析了实现南北极点覆盖的轨道倾角。接着结合铱星星座，推导出单一星座构型无法实现全球范围内均匀的可见星和精度衰减因子（Dilution of Precision，DOP）值分布。最后提出了一种组合低轨卫星星座设计方法。结果表明，该方法设计的组合星座在实现全球覆盖的同时，能够实现可见星数量与DOP值在全球范围内的均匀分布。

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锥形物体对月壤冲击过程的试验及离散元分析

梁绍敏, 王永滨, 王立武, 武士轻, 刘欢, 季顺迎

2019 (6): 62. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2019.0051

摘要 ( 268 )

PDF(7535KB) ( 158 )

月球探测器着陆过程中着陆器足垫首先与月壤接触，因此，足垫的动力响应直接关系到探测设备的安全着陆及后续工作的实施。采用试验和离散元数值模拟的方法，以锥形物体代替实际足垫，对冲击模拟月壤过程中锥形物体的锥角和冲击速度及质量的影响进行详细研究。离散元模拟获得的结果与试验结果一致。研究结果表明，冲击速度和质量决定了锥形物体与模拟月壤颗粒之间的动量转移，对冲击过程有很大的影响；当采用不同锥角的锥形物体冲击时，由于锥形物体与颗粒介质接触面积的影响，随着锥角的增大其冲击深度和冲击时间均减小，而锥形物体受到的冲击力峰值逐渐增大。此外，对冲击过程中颗粒的速度矢量进行讨论，从细观角度对颗粒介质在冲击载荷作用下的动力特性及颗粒间的相互作用进行探讨。以上结果对航天着陆器的着陆过程的研究提供了理论依据，并且对利用特种设备在月球表面进行贯入探测具有一定的参考价值。

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一种空间目标RCS序列的姿态异常检测方法

胡盟霄, 来嘉哲, 徐灿

2019 (6): 72. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2019.0052

摘要 ( 355 )

PDF(3576KB) ( 345 )

准确、快速判断空间目标姿态运动模式异常，对于空间目标监测具有重要意义。针对空间目标雷达散射截面 (Radar Cross Section，RCS)序列，提出一种基于小波包分解（Wavelet Packet Decomposition,WPD）能量谱特征的无监督机器学习异常检测方法，并采用单类支持向量机(One Class Support Vector Machine，OCSVM)验证异常检测效果。设置了几种典型异常场景进行仿真分析，试验结果表明，该方法能有效检测出三轴稳定类空间目标发生失稳旋转的姿态异常。相比于传统统计参数特征、小波变换统计参数特征及能量特征的姿态判别方法，具有检测概率高、鲁棒性好的特点。

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空间再入充气系统的大攻角气动及结构仿真研究

张章, 吴杰, 王立武, 侯安平, 曹旭, 王奇

2019 (6): 80. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2019.0053

摘要 ( 294 )

PDF(5588KB) ( 211 )

为描述空间再入充气系统在大攻角状态下的气动力与结构特性，利用CFD模型研究了不同攻角下的流场分布及气动力系数变化。同时建立了考虑内充压作用的有限元模型，并以高超声速流场作为输入，采用流固单向耦合的方法分析了不同攻角下的气动力对结构静力学特性的影响。研究表明：随攻角的增大，轴向力系数呈整体下降趋势，而法向力系数及俯仰力矩系数分别呈M型及W型变化趋势；此外，随着攻角的增加，结构最大应力整体呈上升趋势，并在45°攻角附近增幅最大。

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基于低轨移动星座的高速星载路由器设计

吕原草, 王凤春, 徐楠, 韩笑冬, 冯彦君, 邢川

2019 (6): 87. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2019.0054

摘要 ( 653 )

PDF(5344KB) ( 741 )

随着地面网络流量不断增长，实现星地一体化要求星间网络能够提供基于IP的大流量数据传输。而星载路由器作为连通星间网络的关键设备，其转发速率和服务质量等指标决定了整个星间网络的吞吐量和时效性。考虑到现有星载路由器吞吐量低的现状，提出一种适用于低轨移动通信星座的高速星载路由器设计方案，在基于拓扑快照的路由基础上补充3层动态路由，在保证交换速率的同时减少网络故障导致的丢包，实现“一次路由，多次交换”。采用共享内存式的交换存储单元，利用Spacewire和Serdes高速接口单元，理论上星间数据吞吐量能够达到最高51Gbit/s，且支持IP数据传输，为与地面网络的融合奠定基础。

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