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2020年, 第40卷, 第6期 刊出日期:2020-12-25 上一期   
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研究探讨
基于深度神经网络的航天器姿态控制系统故障诊断与容错控制研究
耿飞龙, 李爽, 黄旭星, 杨彬, 常建松, 林波
2020 (6):  1-12.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0066
摘要 ( 90 )   PDF(4795KB) ( 114 )  
针对传统航天姿控系统故障诊断与容错控制诊断精度及控制分配效率较低的问题,提出了一种基于深度神经网络的航天器姿态控制系统故障诊断与容错控制方法。以控制力矩陀螺为执行机构的航天器发生执行机构故障工况时,所提出的方法可保证鲁棒的姿态控制。首先,利用三个异构深度神经网络实现传统容错控制器的故障诊断、姿态控制和力矩分配等功能,建立了全神经网络的智能自适应容错控制器架构。然后,对三个神经网络的网络层数、神经元数目和激活函数等参数进行优化调整,对比分析了神经网络参数对控制器性能的影响。最后,对所提出的新型控制器在控制力矩陀螺发生故障时的控制精度和鲁棒性进行了仿真验证。仿真结果表明,对于具有冗余控制力矩陀螺的航天器,提出的方法不仅能在单一陀螺故障下实现高精度的容错控制,也能在发生多陀螺故障时保证一定的姿态稳定控制。
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地外人工光合成装置研制与试验
冯德强, 张策, 姜文君, 李龙, 杨东升, 赖小明, 宋坚, 姚伟
2020 (6):  13-22.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0067
摘要 ( 60 )   PDF(6062KB) ( 32 )  
原位资源利用技术是地外生命保障体系构建、实现人类地外生存的有效途径,是载人深空探索的核心技术。基于微通道技术的人工光合成反应器,采用流动反应器设计,用于低微重力等特殊环境条件下模拟人工光合作用,实现CO2向O2和含碳燃料的转化。微通道芯片通过气液剪切作用力使气体反应产物快速脱离电极表面并随反应介质排出反应器,理论上可以克服微重力条件对反应过程的影响,尚需进行微重力试验进行验证。同时,微通道结构可以通过精确控制反应气液的压力、流速、流量比等反应条件,获得优化的反应条件。通过地面试验,验证了该反应器将CO2还原为O2和含碳化合物的功能可行性。以Au和Ir/C作为阴极和阳极材料,3V电压条件下,O2产率可达11.74mL/h。此外,基于人工光合成反应器搭建了集反应模块、控制模块、流路驱动模块以及检测模块等于一体的地外人工光合成装置,形成原位反应、介质供给、精确控制、在线收集和检测等功能一体化的系统,并实现CO2有效转换和O2供给。为后续技术成熟度更高的反应装置研制、高产物选择性的含碳化合物转化以及人工光合成反应装置在轨试验奠定了理论和实践基础。
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可变构型的控制力矩陀螺控制方法
张科备, 高晶敏, 关新, 郭子熙
2020 (6):  23-32.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.006
摘要 ( 64 )   PDF(9440KB) ( 79 )  
针对固定构型的控制力矩陀螺群无法灵活改变其合成角动量包络以适应卫星不同工况的姿态机动需求问题,设计了一种可变构型的控制力矩陀螺群控制方法。建立了可变构型的控制力矩陀螺群的动力学模型;在考虑控制力矩陀螺群框架角速度、高速转子转速以及构型倾角变化速率等多变量下,设计了可变构型的控制力矩陀螺群的操纵律;分析了构型倾角固定和构型倾角可变情形下的控制力矩陀螺群合成角动量包络和奇异状态分布情况。采用可变构型的控制力矩陀螺群进行了卫星多工况姿态敏捷机动控制。数学仿真校验表明,可变构型的控制力矩陀螺控制方法能够实现金字塔构型下不同数目的控制力矩陀螺故障时的卫星三轴敏捷机动控制。
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链路统计分析中导出参数概率计算方法研究
李赞, 樊敏
2020 (6):  33-40.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0069
摘要 ( 46 )   PDF(2250KB) ( 48 )  
为了适应深空探测任务需求,有效利用测控资源,提高链路计算精度,对天地链路统计分析基本方法进行了研究,对CCSDS标准建议的3种链路参数的概率密度函数特性进行了系统分析,提出了一种当链路参数不满足李雅普诺夫(Lyapunov)条件时,利用鞍点逼近估计尾概率函数确定导出参数取值概率的方法。通过理论分析和实例计算表明,采用该方法得到的导出参数的概率分布特性与真实值基本一致,进一步完善了天地链路统计计算方法,使天地链路统计分析方法更具有普遍性。
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热解气体燃烧对炭化复合材料烧蚀热响应影响规律
郭瑾, 黄海明
2020 (6):  41-47.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0070
摘要 ( 34 )   PDF(3550KB) ( 36 )  
在近空间高超声速飞行器飞行时间长、马赫数不断增加的发展趋势下,热防护与轻量化的矛盾越来越突出。基于此,开展了热解气体燃烧对炭化复合材料表面烧蚀影响的相关数值模拟研究,并与风洞试验结果进行了对比。结果表明:热解气体的燃烧可降低炭化复合材料表面的烧蚀厚度,并且随着气动热的增加,热解气体燃烧对材料表面碳的保护作用越来越明显。研究成果可为下一代近空间高超声速飞行器热防护系统的优化设计提供技术支撑。
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地球同步轨道卫星混合推进转移轨道特性分析
段晓闻, 祁瑞, 王敏
2020 (6):  48-55.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0071
摘要 ( 66 )   PDF(6707KB) ( 68 )  
以地球同步轨道卫星转移轨道设计为背景,针对全化学推进燃料消耗大和全电推进转移时间长的问题,开展了化学电混合推进转移轨道优化设计与特性分析。首先,讨论了轨道倾角和近地点幅角变化对混合推进转移轨道的影响。研究表明,在混合推进优化设计中需要将轨道倾角作为优化变量之一。然后,以近地点半径、远地点半径、轨道倾角为优化变量生成搜索网格,得到过渡轨道集。针对每条过渡轨道,构建化学推进转移段和电推进转移段。其中化学推进段采用单圈兰伯特转移解算,电推进段采用混合法优化。最后,以燃料消耗和转移时间为指标,在搜索域内开展解算分析,研究了混合推进轨道在整个搜索域内的变化趋势。该方法可以提供具有不同燃料消耗和转移时间的混合推进转移解集,拓宽了解空间,可供轨道设计人员根据任务约束灵活选用。
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基于动态故障树的卫星可靠性分析
王许煜, 胡敏, 张学阳, 赵玉龙, 李玖阳
2020 (6):  56-67.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0072
摘要 ( 37 )   PDF(5748KB) ( 29 )  
针对卫星系统的可靠性问题,提出了一种基于动态故障树的卫星可靠性分析方法。采用马尔可夫链和二元决策图相结合的分析方法,建立卫星的电源、姿轨控和推进3个分系统的动态故障树模型,在此基础上得到卫星的随机故障模型,并综合考虑损耗故障建立卫星可靠性模型。利用蒙特卡洛仿真对随机故障模型进行评估分析,并将其与Weibull分布模型进行性能比较,仿真结果表明该方法能够有效分析卫星的随机故障,具有计算精度高、效率高的优点,并能更有效地模拟卫星部件随机故障的动态行为。
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小卫星侦察星座性能评估研究
王浩, 张占月, 张海涛, 姜平
2020 (6):  68-76.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0073
摘要 ( 74 )   PDF(1730KB) ( 56 )  
针对小卫星侦察星座性能评估问题,从覆盖、成本和弹性三方面对小卫星侦察星座的性能指标进行研究,分别构建了考虑存储容量约束的覆盖能力评估模型、成本估计模型以及弹性能力评估模型。在覆盖能力评估模型中,将卫星存储容量作为约束条件,结合卫星覆盖几何模型分析了卫星对地侦察的工作条件,提出考虑存储容量的覆盖指标计算方法;通过小卫星成本模型(small satellite cost model,SSCM)对星座各分系统的成本进行估计;在弹性评估模型中,提出了星座性能损失率指标,并根据星座失效状态概率函数确定了不同失效状态下星座性能损失率的权重。将上述模型应用于SkySat和吉林一号星座的性能评估过程中,结果表明SkySat比吉林一号覆盖能力强、成本低,弹性差。提出的三个模型可用于评价星座优劣,为小卫星侦察星座的建设和性能评估工作提供参考。
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技术交流
利用星地差分GPS的地基测控系统实时标校方法
彭震, 金小军, 莫仕明, 张伟, 徐兆斌, 金仲和
2020 (6):  77-88.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0074
摘要 ( 35 )   PDF(6153KB) ( 30 )  
针对地基测控系统传统标校方法和基于差分GPS事后标校方法的不足,提出了一种基于低轨卫星与地面测控站之间星地差分GPS的地基测控系统测量误差实时标校方法。与基于差分GPS的事后标校相比,实时标校能使地基测控系统及时获取标校后的测量数据,从而实时进行轨道解算和预报,并及时上注以提升卫星运行性能。针对星地长基线、高动态和实时标校场景,系统地分析了影响星地基线估计性能的各项误差及修正效果,并提出相对位置精度因子的概念,由此得到星地基线估计精度预算。采用基于抗差自适应卡尔曼滤波的实时星地基线估计算法,并利用加权最小二乘法求解测控系统测量误差,从而获得校准结果。利用星载双频GPS接收机和导航信号模拟器构建半实物仿真平台,仿真结果表明,实时标校后测距系统误差残差降低到40cm左右,测速系统误差残差降低到1cm/s以下,与理论分析结果一致,可以较好地满足未来航天任务的测控需求。
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GEO长寿命卫星热管在轨等温性能分析
刘百麟, 李一帆, 胡帼杰, 王录
2020 (6):  89-98.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0075
摘要 ( 45 )   PDF(8266KB) ( 19 )  
热管是GEO长寿命卫星热控设计大量使用的重要传热元件,其在轨等温传热性能是影响卫星安全可靠工作的关键因素。针对中国在轨长期稳定运行的GEO长寿命卫星热管,基于热管在轨温度遥测数据,采用数理统计方法分析热管在轨等温性能随时间的实际变化规律,分析表明:GEO长寿命卫星热管在轨等温性能稳定性良好,等温性受热管自身温度水平影响较大,年周期内呈现季节性变化,全寿命周期内随飞行时间推移呈现性能衰减下降趋势,寿命末期等温性优于1.6℃,并从热管设计、热负荷大小与分布、使用环境等方面进行等温性改进分析及应用建议。
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天文观测卫星动中探测机动测试系统设计
陈洪亮, 罗荣蒸, 谭志云, 张若林, 王英爽, 刘鹤
2020 (6):  99-105.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0076
摘要 ( 58 )   PDF(4029KB) ( 31 )  
天文观测卫星普遍采用动中探测模式开展空间探测任务。为了实现动中探测姿态机动模式的地面有效验证,设计了整星机动集成测试方案。设计惯性空间基准的地面动力学仿真,满足惯性空间扫描仿真;设计整星各分系统间高精度时间统一系统,为整星机动测试提供统一基准;基于STK与Matlab接口模块,设计基于实时遥测数据的可视化判读系统,可提高测试判读实时性与准确度。整星测试结果表明,该方案有效验证了动中探测任务中姿态机动功能的正确性和指标符合情况,为开展整星地面测试和在轨应用提供了参考。
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一种适用于遥感图像的可逆信息隐藏算法
回征, 周诠
2020 (6):  106-114.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0077
摘要 ( 60 )   PDF(8513KB) ( 56 )  
可逆信息隐藏技术,可用于实现遥感图像重要目标区域的无损传输。通过对现有可逆信息隐藏算法进行研究,发现现有算法的单次嵌入容量不足,且需要额外的无损二值压缩处理附加信息,无法满足遥感图像处理的有效性和实时性要求。借助给定门限对载体图像不重叠子块的平滑性进行划分,通过编码平滑子块内基准像素与其余像素之差,并结合比特替换,实现秘密信息的可逆隐藏。对于512×512像素的灰度遥感图像,单次嵌入容量可达5×105 bit以上。试验结果表明,该算法可实现单次高嵌入容量的可逆隐藏,并不需要任何额外无损二值压缩来处理辅助信息。
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宇航宽输入高效率低压大电流二次电源的研究
吴建超, 刘密, 陈广军, 赵文杰, 陈永刚, 万成安
2020 (6):  115-122.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0078
摘要 ( 32 )   PDF(9191KB) ( 8 )  
随着新一代电子电路的发展,高性能FPGA等数字信号处理器的工作电压越来越低,电流越来越大,其对供电电源的效率要求更加严格。为提升电源效率,采用谐振复位交错并联同步整流正激电路,基于工作模态分析和电路仿真,研制了一台5V/30A电源样机。实测电源工作电压可覆盖20~50V范围,满载效率达90.9%,相比同规格传统宇航电源效率提升超过10%,损耗减小达22.5W;另外同步整流轻载/空载条件下续流管电压尖峰过冲问题得到解决。该电路具有高效率、高可靠的特点,适用于宇航低压大电流电源应用环境。
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北斗GEO卫星CEI相时延解算方法研究
陈少伍, 王静温, 黄磊, 徐得珍
2020 (6):  123-130.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0079
摘要 ( 310 )   PDF(3537KB) ( 258 )  
连线端站干涉测量(connected element interferometry,CEI)是高精度测角技术,在中高轨卫星、月球及深空航天器定轨定位中有良好的应用前景。基于CEI技术特点,提出了一种新的测量方法,即在相干测距模式下利用测距音和载波信号作为信号源进行连线端站干涉测量。构建了CEI试验系统对北斗GEO卫星进行观测,利用相干测距模式下的下行信号解算群时延、相时延。利用北斗GEO卫星精密星历计算的时延理论值,对北斗GEO卫星CEI群时延和相时延结果进行评估。结果表明,相干测距模式下CEI群时延和相时延残差均值分别为0.47ns、0.08ns,标准差(3σ)分别4.2ns、0.13ns。该项研究验证了相干测距模式下CEI相时延解算的可行性,可为共位地球同步卫星精密相对定位、月球探测器CEI测量提供技术参考。
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