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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
    中国空间科学技术    2020, 40 (6): 123-130.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0079
    摘要491)      PDF(pc) (3537KB)(312)   
    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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    Klobuchar电离层模型误差分析及预测
    彭雅奇, 李冲辉, 王倚文, 魏武雷, 丁柏超, 刘仰前
    中国空间科学技术    2021, 41 (1): 48-54.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0006
    摘要306)      PDF(pc) (5519KB)(120)   
    电离层延迟误差是全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)中的重要误差源之一。目前在电离层延迟改正模型中,应用最广泛的是Klobuchar参数模型,但是该模型的改正率仅能达到60%左右,无法满足日益增长的精度需求。将国际GNSS监测评估系统(international GNSS monitoring & assessment system,iGMAS)发布的高精度电离层格网数据作为对照,对Klobuchar电离层模型误差进行计算和分析,结果发现在中纬度区域误差存在明显的周期性特征。为进一步提高Klobuchar电离层模型在中纬度区域的改正精度,建立了基于粒子群优化反向传播(back propagation,BP)神经网络的Klobuchar电离层误差预测模型,并以2019年10月的采样数据为例进行误差预测。结果表明,用该模型对中纬度区域电离层延迟提供误差补偿,可将精度提高到90%左右。
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    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
    中国空间科学技术    2020, 40 (6): 1-12.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0066
    摘要275)      PDF(pc) (4795KB)(232)   
    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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    小卫星侦察星座性能评估研究
    王浩, 张占月, 张海涛, 姜平
    中国空间科学技术    2020, 40 (6): 68-76.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0073
    摘要265)      PDF(pc) (1730KB)(161)   
    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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    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
    中国空间科学技术    2020, 40 (6): 13-22.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0067
    摘要253)      PDF(pc) (6062KB)(107)   
    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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    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
    中国空间科学技术    2020, 40 (6): 48-55.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0071
    摘要244)      PDF(pc) (6707KB)(152)   
    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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    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
    中国空间科学技术    2020, 40 (6): 23-32.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.006
    摘要240)      PDF(pc) (9440KB)(172)   
    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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    超低轨道卫星应用离子电推进技术方案
    杨福全, 王成飞, 胡竟, 张宏, 吴辰宸, 张兴民, 耿海, 傅丹膺
    中国空间科学技术    2021, 41 (3): 52-59.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000.758X.2021.0038
    摘要235)      PDF(pc) (3138KB)(224)   
    低地球轨道大气环境对诸如科学探测和对地观测卫星的阻尼作用十分明显,而且阻尼随太阳和地磁活动以及昼夜、季节交替变化范围宽。为了保证卫星轨道精度或飞行状态满足任务要求,需要利用推进系统对卫星受到的阻尼进行实时或间歇式补偿以实现轨道或飞行状态的保持。针对轨道高度220~268km的无拖曳飞行和轨道维持应用,基于卫星轨道阻尼变化和有效载荷指标要求分析,研究确定了离子电推进技术指标、推力调节方案、系统组成、推力控制方案和在轨应用策略,并对推力调节方案进行了试验验证。结果表明,与无拖曳飞行卫星任务匹配的离子电推进指标为推力调节范围1~20mN,推力分辨率优于12μN,与对地观测卫星轨道维持任务匹配的指标为推力调节范围1~25mN,推力分辨率100μN。研究提出的针对超低轨道卫星应用需求的高精度推力连续调节离子电推进技术方案,具有工程任务针对性和参考价值。
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    航天微波部件的无源互调抑制方法研究进展
    王小丽, 陈翔, 李军, 崔万照
    中国空间科学技术    2021, 41 (2): 1-9.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0016
    摘要226)      PDF(pc) (2921KB)(135)   
    无源互调(passive intermodulation, PIM)问题广泛存在于大功率微波无源部件及系统中,对卫星及地面通信系统造成严重的干扰。无源互调抑制方法是无源互调基础研究和工程应用中的重点关注领域,是解决无源互调问题的核心关键。在阐述无源互调产生机理的基础上,分别从工艺、结构、电设计及信号处理等多个方面系统地归纳总结了现有的无源互调抑制方法及国内外研究现状,讨论了各种抑制方法的优缺点,在此基础上梳理分析了后续的发展趋势。在传统的工艺结构优化设计的基础上,基于先进制造技术的一体化设计、新型非接触式无源互调抑制以及数字信号处理实现无源互调抑制,成为后续重要的新兴发展方向,将会为解决无源互调问题带来新的思路和途径。
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    多等级区域侦察弹性星座设计方法
    王浩, 张占月, 张海涛, 姜平
    中国空间科学技术    2021, 41 (4): 85-94.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0054
    摘要225)      PDF(pc) (4923KB)(124)   
    针对传统侦察星座目标单一、弹性低的问题,提出了多等级区域侦察弹性星座的设计方法。该方法将星座设计过程按区域等级信息分为多个子星座逐步设计,直到整体星座对所有的区域性能满足设计要求。以区域被划分为3个等级为例,首先对星座设计需求、设计指标及设计步骤进行了分析。其次推导了地面最低分辨率和轨道高度的关系并确定了不同子星座的轨道高度。最后考虑轨道倾角、一箭多星发射、光照和升交点漂移同步约束,构建基础星座、子星座1和子星座2的优化模型。最终设计星座为3层混合星座,共8个轨道面和70颗卫星,星座对各等级区域的最大重访时间分别为10937s,12241s和17437s,弹性指数为2213%,2420%和6361%。结果表明该方法设计的星座可实现对区域覆盖和弹性分级的设计要求,证明了方法的有效性。对比Walker星座设计方法,在同等设计要求下,Walker星座所需卫星数为156颗,多等级区域侦察弹性星座所需卫星数远低于Walker星座,结果进一步证明了该星座设计方法的优越性。
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    化学-电喷双模推进系统的研究现状及展望
    吴勤勤, 刘欣宇, 邓涵文, 康小明
    中国空间科学技术    2021, 41 (1): 1-12.  
    摘要218)      PDF(pc) (2873KB)(217)   
    传统的化学推进和电推进拥有不同的特点及适用范围。化学推进可以产生毫牛级至牛级推力,相比于电推进,推力大,推力范围宽;电推进比冲高达上千秒,最小可以产生微牛级推力。但两种模式单独执行任务有一定的局限性,难以完成较为复杂的航天任务。化学推进与电推进相结合的双模推进系统,同时拥有高比冲和较宽的推力范围,为航天器提供了更高的任务灵活性,其中单组元液体火箭发动机离子液体电喷推力器双模推进系统近年来受到广泛关注。简述了单组元电喷双模推进系统的工作原理和特点,重点总结了国内外关于双模推进的研究现状,并对目前面临的问题与挑战进行分析。
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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
    中国空间科学技术    2020, 40 (6): 106-114.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0077
    摘要208)      PDF(pc) (8513KB)(75)   
    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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    溅射靶对离子推力器的热辐射影响研究
    耿海, 孙明明, 罗俊华, 刘家涛
    中国空间科学技术    2021, 41 (2): 10-18.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0017
    摘要200)      PDF(pc) (5614KB)(110)   
    为了研究真空环境设备内溅射靶温度升高后对30cm离子推力器的热辐射影响,采用有限元分析的方法,首先对真空舱内的离子推力器羽流分布进行了模拟,在获得羽流对溅射靶造成的温度变化后,进一步分析了溅射靶温度升高对离子推力器温度以及栅极热形变位移所造成的影响。仿真结果显示,推力器羽流可采用定向分子流模型进行描述,羽流在真空舱内的扩散过程中几乎没有能量损失;30cm离子推力器工作时真空舱内大部分区域的气体压强在2×10-3~6×10-3 Pa;在溅射靶影响下,推力器加速栅和屏栅中心温度分别为352℃和440℃,边缘温度分别为342℃和411℃,屏栅和加速栅的间距缩小量由无溅射靶影响时的0.560mm增加到0.585mm;试验结果显示,加速栅和屏栅边缘温度分别为364℃和385℃,与仿真结果的比对误差均为6%,溅射靶后部羽流气体的温度测试值高于计算值约50℃,误差主要由于模拟中忽略了羽流粒子的能量沉积效应。
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    LIPS-200离子推力器非预期电击穿特性的初步分析
    张雪儿, 张天平, 李得天, 孟伟
    中国空间科学技术    2021, 41 (4): 41-48.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0049
    摘要188)      PDF(pc) (3821KB)(198)   
    离子推力器的非预期电击穿现象直接影响其工程应用的工作可靠性,基于地面寿命试验中比较完整的非预期电击穿事件基础数据,采用基础数据对比分析、威布尔模型统计分析、因果关联推断与分析等方法,对LIPS200离子推力器在地面12000h寿命试验中的非预期电击穿现象进行了初步研究,获得了平均击穿频次、击穿事件的时间分布、分类统计击穿周期的威布尔分布等量化结果。分析表明,地面试验中LIPS200平均击穿频次明显低于NSTAR等产品的主要原因是LIPS200具有较低的栅间电场强度;其击穿事件具有明显的累计工作时间分布特性;采用双参数威布尔统计分析方法可以得到不同影响因素及机理下的击穿特征周期和击穿频次变化趋势。
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    基于改进MOPSO算法的区域侦察弹性星座重构方法
    王浩, 张占月, 张海涛, 姜平
    中国空间科学技术    2021, 41 (2): 86-95.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0026
    摘要187)      PDF(pc) (3963KB)(77)   
    针对区域侦察弹性星座重构问题,提出了基于改进多目标粒子群优化算法(multiobjective particle swarm optimization,MOPSO)的区域侦察弹性星座重构方法。该方法采用一箭多星发射和在轨卫星相位机动相结合的方式对受损星座重构。首先选取了星座覆盖、重构成本、重构时间和星座弹性四方面的指标;其次对一箭多星发射过程和卫星相位机动过程进行了分析,对失效轨道面内剩余正常卫星采取均匀相位的策略。以恢复原有星座性能为目的,考虑最大重访时间、重构成本、重构时间及弹性,建立了重构时间和重构成本最优的重构优化模型。最后对MOPSO算法进行了改进,提出了基于学习机制的种群更新策略,通过变量转化将离散变量转化为连续变量,解决了重构优化模型中混合变量优化问题。针对某一受损星座进行仿真,重构时间最优的重构方案为发射6颗新卫星结合在轨卫星均匀相位;重构成本最优的重构方案为发射4颗新卫星结合在轨卫星均匀相位。案例表明提出的重构方法有效,可为侦察星座的建设提供参考。
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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
    中国空间科学技术    2020, 40 (6): 89-98.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0075
    摘要186)      PDF(pc) (8266KB)(45)   
    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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    基于扩展卡尔曼滤波的XPNAV-1卫星自主定轨算法研究
    丁陶伟, 帅平, 黄良伟, 张新源
    中国空间科学技术    2021, 41 (1): 13-21.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0002
    摘要186)      PDF(pc) (2056KB)(120)   
    X射线脉冲星导航1号(XPNAV-1)是全球首颗脉冲星导航专用试验卫星。利用该卫星观测的单颗脉冲星数据,采用几何约束方法,能够有效抑制轨道误差增长,但存在长时间定轨发散问题。针对XPNAV-1卫星拓展试验任务及脉冲星导航后续发展需求,利用多颗脉冲星的观测数据,研究基于扩展卡尔曼滤波(EKF)的卫星自主定轨算法。首先,建立该卫星的轨道力学模型和观测方程;然后,详细论述EKF滤波算法和分段式定常系统(PWCS)的可观测性分析方法;最后,通过综合分析XPNAV-1卫星的观测数据、脉冲星对该卫星轨道的覆盖性以及系统状态的可观测性,进行自主定轨算法试验。试验结果表明,基于EKF的自主定轨算法滤波过程收敛,验证了该算法的合理性和有效性。
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    深空撞击载荷总体技术分析与效能仿真
    马鑫, 周琪, 李明涛, 张会锁
    中国空间科学技术    2021, 41 (1): 120-130.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0015
    摘要178)      PDF(pc) (4481KB)(91)   
    以近地小行星2016HO3为深空撞击目标开展科学探测,从爆炸成型弹丸技术、安全可靠爆炸技术、撞击载荷分离技术、撞击效能仿真技术等7个方面系统详细地进行了基于聚能爆炸成型弹丸的撞击载荷技术体系解析与技术内涵阐述,给出了深空撞击载荷初步总体设计方案;通过弹丸撞击靶板的数值模拟仿真,得到了撞击速度在0.2~0.4cm/μs变化范围下产生32~47cm大小的撞击坑坑径结果,得出了撞击坑直径随弹丸不同撞击速度、靶材不同密度、不同强度和不同厚度的变化规律,为撞击载荷总体优化设计提供了撞击效能仿真技术支撑。
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    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
    中国空间科学技术    2020, 40 (6): 77-88.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0074
    摘要176)      PDF(pc) (6153KB)(74)   
    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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    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
    中国空间科学技术    2020, 40 (6): 56-67.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0072
    摘要171)      PDF(pc) (5748KB)(91)   
    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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