2024 Vol. 41(6): 1-13| [摘要](45) | [PDF](21)空间态势感知专栏- 基于遥测信号多模态特征的卫星个体识别方法
- 吕青，孟京龙，李诗瑶，张毅，刘何帅
- 随着航天技术发展，太空已经成为战略焦点，空间目标态势感知尤为关键，其中包括卫星的电磁频谱检测及个体识别。遥测信号是卫星在轨运行的常见辐射源信号，通过深入分析卫星遥测信号中的潜在特征，可以有效地辨识卫星个体目标。本文提出了一种基于多模态融合的识别方法，结合了残差卷积网络、长短期记忆网络，强化了网络对于信号数据深度特征的提取与融合能力，显著提高了识别的准确性。实验测试显示，所提方法在实测数据集上达到了92%的平均识别准确率。本研究对卫星个体识别技术的发展具有指导意义，有望推进该领域的进一步研究和应用。
- 2024 Vol. 41(6): 14-22
| [摘要](33) | [PDF](17)- 多测站联合初始轨道确定及不确定性估计方法
- 陶雪峰，赵帅龙，李智
- 由于缺少距离信息的约束，短弧段单站测角数据的定轨结果存在很大的不确定性。针对极短弧条件下多测站联合定轨问题，提出了可直接利用多测站观测数据的联合定轨算法。该算法不要求联合测量的时间同步，对不同精度的测量数据可加权处理。同时，提出了相应的不确定性估计方法，使用无迹变换计算定轨协方差，能够对定轨结果进行概率描述，以双站光学测量为例开展了仿真实验。结果表明:在观测弧段不到轨道周期0.1%的情况下，双站联合定轨也可达到很高的定轨精度。其中，GEO、HEO卫星半长轴精度为千米量级，LEO卫星半长轴精度为百米量级。
- 2024 Vol. 41(6): 23-30
| [摘要](22) | [PDF](13)- 非合作航天器远程相对状态估计的局部非线性滤波器研究
- 李晴，张世源，卢山，夏永江，刘礼城
- 针对空间非合作航天器的远程相对状态估计问题，对非合作航天器建立了适用于远距离跟踪的非线性相对运动模型，并对线性状态、非线性状态进行拆分离散，在提高离散精度的同时保留了模型局部非线性的特性。根据该模型中状态方程仅部分非线性、线性与非线性部分相互解耦且相互作用的特点，基于矩阵分块计算提出了局部非线性卡尔曼滤波器(LNKF)，并且设计了一种没有信息损失的简化采样点设置方法。该滤波器融合线性运算与非线性运算，在避免状态信息的损失的基础上降低了算法的计算复杂度。将所提算法应用于非合作航天器的远程相对状态估计，与扩展卡尔曼滤波(EKF)算法和容积卡尔曼滤波(CKF)算法进行对比。仿真结果表明:LNKF在保证计算精度的前提下，计算效率明显高于CKF。
- 2024 Vol. 41(6): 31-38, 87
| [摘要](37) | [PDF](18)- 跨域拦截弹数据驱动的在线强化学习姿态控制方法
- 赵琛钰，胥彪，宋勋，赵启伦，李爽
- 针对跨域拦截弹在宽速域、大空域飞行面临动力学建模较难、模型未知的问题，提出一种基于数据驱动的在线强化学习姿态控制方法。受零和博弈的启发，将干扰也当作是系统输入的一部分设计性能指标函数。实际拦截弹控制量输入的目的是最小化性能指标函数，提高系统性能，而干扰的作用则相反。然后，通过构建评价网络在线学习获得相应的近似解，并通过更新权值来动态地处理不确定性。与传统依赖模型的在线强化学习求解方法不同，数据驱动的强化学习方法不再需要拦截弹系统的动态模型信息，而是仅通过系统的输入输出数据来驱动网络进行权值在线学习更新。最终，通过仿真验证了该方法的有效性。
- 2024 Vol. 41(6): 39-45
| [摘要](33) | [PDF](14)- 模拟偏心打击对行星防御任务中动能撞击轨道偏转的潜在增益
- LEE Kin Thong，王兆魁
- 在小行星动量偏转任务中，溅射效应的存在导致系统动量的“放大”效应。现有研究几乎都集中在航天器撞击小行星几何中心的情境上。通过简要的理论推导表明，当航天器的速度矢量与小行星的速度矢量不平行时，若撞击点位于非几何中心位置，则偏转距离将显著高于几何中心撞击的情况。针对一颗潜在威胁小行星Apophis，开展了动能偏转防御的数值模拟，并对比了最佳双脉冲转移轨道下几何中心与非几何中心撞击产生的偏转效果。结果显示:几何中心撞击的偏转距离平均值为923.59 km，标准差为273.29 km;而非几何中心特定表面撞击的偏转距离平均值为1 328.57 km，标准差为48.61 km，相比几何中心撞击效果偏转距离增加 ，标准差降低约5.6倍，验证了该方法的有效性。针对小行星姿态信息的不足，采用蒙特卡洛方法生成10万个随机姿态样本进行仿真，以处理不确定性因素。结果表明:该方法不仅验证了理论的可行性，同时有效降低了小行星动能撞击防御任务中的不确定性。在保持撞击条件不变的情况下，非几何中心撞击可进一步放大偏转距离，具有重要的研究价值。
- 2024 Vol. 41(6): 46-54
| [摘要](32) | [PDF](15)创新与探索- 三维地理信息系统在火箭安控态势决策中的应用及其关键技术
- 于志坚，杨玖文，谷鹏冲，原振龙
- 三维地理信息系统可以为用户提供直观的二维或三维可视化模拟场景，火箭地面安控系统通过设置合理的安全管道，实现对火箭飞行过程中的安全控制。针对火箭飞行过程中安全控制工作和对飞行态势信息的精细化显示及判决要求，将三维地理信息系统应用于火箭安控态势判决，使三维地理信息系统接收火箭实时飞行数据，全程展示火箭飞行态势，通过研究实现坐标系间转换算法和三维空间内对象碰撞检测算法，实时精细化地计算和显示火箭与三维空间安全管道的位置关系，为安控指挥员提供直观精准的可视化场景和自动化的安控态势决策结果，从而开展及时、准确的地面安控判决与实施，实现对地面目标最大程度的安全保护。
- 2024 Vol. 41(6): 55-62
| [摘要](27) | [PDF](15)- 基于光子谐振效应的热控超材料设计与辐射特性研究
- 韩贺祥，王惠芬，徐骏，赵其斌，宋效坤，曹康丽，刘刚
- 本文针对航天器表面高效散热需求，创新引入超材料概念，提出基于谐振效应的微纳结构高效光学散热材料思路，从材料组分选择与物性计算分析出发，研究建立了适用于空间高效散热的可见光高反射和红外高发射模型。结果表明:通过采用两种高低折射率材料组合成一维光子晶体，可以在较少的膜层内实现超高反射率。具体表现为:将金刚石/NaF与GaP/NaF膜层叠加，总层数为71层时获得250~2 500 nm波段平均反射率为99.97%的结构;设计了宽粒径分布2~8 μm SiO2微球周期排列光子晶体，将红外发射率提升至93%。进一步将上述两种模型复合，实现250~2 500 nm波段平均反射率>99%，3~15 μm波段内发射率达92%，8~15 μm波段内发射率达94%，散热性能相比传统热控涂层明显提高。
- 2024 Vol. 41(6): 63-69
| [摘要](21) | [PDF](11)- 大型贮箱箱底加工整体变形预测及补偿方法
- 于剑驰，柴兴亮，郭国强，张永升，刘海波，王永青
- 针对大型贮箱箱底加工过程中产生的整体变形对加工精度的影响，开展了大型贮箱箱底曲面加工整体变形的预测分析与加工误差补偿方法研究。基于薄壳理论和能量法，建立了大型贮箱箱底曲面加工整体变形解析模型，提出了分区域基准协调的变形补偿方法，探究了加工过程中曲面变形与区域运动的映射规律。建立了大型贮箱箱底曲面加工整体变形预测有限元模型，模拟了加工过程并根据变形预测结果确定加工误差补偿值。开展了加工切削实验，通过在机测量获得的数据，验证了建立模型的可靠性，表明该方法可准确预测贮箱箱底构件的整体变形量，基于预测结果补偿加工可有效提高加工精度及效率。
- 2024 Vol. 41(6): 70-78
| [摘要](33) | [PDF](13)- 基于声信号时频特征的空间飞轮轴承状态识别方法
- 卞启龙，王虹，李雪晴，周宁宁，何田
- 空间飞轮多次由于轴承保持架摩擦故障导致失效，影响航天器的在轨安全运行和寿命。因此在飞轮地面性能测试中评估飞轮轴承保持架摩擦状态非常重要。由于保持架在正常运转中也有摩擦，如何辨识保持架摩擦情况下的健康状态成为一个亟须解决的问题。针对该问题，本文提出了一种基于时频特征的飞轮轴承保持架声诊断方法。首先，利用地面测试实验台获得飞轮升速过程中的噪声信号;其次，利用三维瀑布图对保持架摩擦类型进行鉴别，获得升速过程中飞轮辐射的大能量摩擦噪声数据;然后，对大能量摩擦噪声数据进行时频分析，构建可以反映飞轮摩擦稳定性的特征参数;最后使用熵权Topsis法构建综合评价指标。多个飞轮的应用结果表明:所提的轴承健康状态识别方法具有较高的准确率，可为飞轮地面测试和筛选提供有效指导。
- 2024 Vol. 41(6): 79-87
| [摘要](19) | [PDF](10)- 基于区块链的卫星网络系统安全通信机制设计与验证
- 陈韬鸣，张健，冷超，冉渝阳
- 现有的卫星网络节点间的身份认证大多依赖于一个证书颁发机构，即授权认证服务器，很容易出现中央瓶颈和单点故障，而且经过身份认证的节点很可能在之后遭受恶意攻击，导致关键配置文件被篡改而留下固件后门。本文利用区块链和智能合约构建了一个卫星网络系统安全通信框架，通过区块链为网络中的所有节点提供一个相同的防篡改可追溯分布式账本，使身份认证不再需要可信中介，直接通过点对点实现分布式身份认证，还可以通过智能合约定期验证节点关键数据的完整性来加强系统安全防护。最后，本文在一个开源的区块链平台上实现了一个原型来验证该安全通信机制。
- 2024 Vol. 41(6): 88-94, 105
| [摘要](23) | [PDF](11)- 基于非线性变结构滑模控制器的薄膜航天器姿态机动控制研究
- 尹一蓁，康国华，武俊峰，吴佳奇，袁金冬
- 在薄膜航天器拦截非合作目标的姿态机动场景中，存在大面质比、转动惯量大导致姿态控制困难的问题，本文提出一种基于非线性变结构滑模控制器的姿态机动控制方法。首先，在薄膜航天器常用的滑块-小帆机构上增加飞轮作为协同控制机构，然后建立了考虑大气扰动力矩、飞轮摩擦力矩、转动惯量变化等因素的姿控模型;基于误差四元数和误差角速度设计了非线性变结构滑模控制器，并通过Lyapunov分析法证明了控制系统的稳定性。最后设计并搭建了一套基于气浮台的薄膜航天器地面调姿仿真实验系统。实验结果表明:本文提出的控制器可实现复杂场景下薄膜航天器的姿态机动控制，并较好地抑制了干扰带来的影响，具有较强的鲁棒性。本文工作可为大面质比、大转动惯量的航天器控制器的设计提供一种思路。
- 2024 Vol. 41(6): 95-105
| [摘要](25) | [PDF](10)- 观测卫星集群协同模式与任务规划研究
- 张永强，徐锡杰，阎梅芝，张永贺，白鹤峰，赵志明，陈红飞
- 针对当前卫星系统功能单一、无法快速获取区域、目标多维信息不足等，基于复杂天基信息支援任务对高时效、全天时、全天候、多手段、兼具大范围搜索与区域详查等要求，本文提出了一种集群编队卫星模型及星群星座系统，设计不同类型的多颗小卫星通过簇内星间协同实现多手段协同探测与查证，通过簇间协同实现天基信息连续更新与时效性，设计了编队系统的多种协同模式，并针对引导协同、接力协同等应用场景，开展了引导协同、区域拼接协同、多手段协同识别确认、接力持续观测协同模式设计与编队协同对应的任务规划方法研究，有效缓解、解决了采用传统单星实现复杂任务对卫星、运载火箭设计所带来的巨大挑战，提供了一种低成本、可行且应用灵活的方案，为卫星集群编队系统全面应用奠定了基础。
- 2024 Vol. 41(6): 106-115
| [摘要](28) | [PDF](14)专业纵论- 常推力机动模型在低轨卫星定轨预报中的应用
- 赵磊，吴凌根，吴新林，陈倩茹，何镇武
- 轨道机动控制在低轨卫星在轨活动中十分常见，尤其近年来电推进技术的发展，其具备比冲高、推力稳定的特性，在低轨卫星中得到广泛应用。轨道机动控制会引起轨道参数变化，需要通过定轨手段，确定控后轨道，而常规定轨方法不考虑机动模型，需要一段时间的无轨控的测量数据进行定轨，由于短时间内无法获取足够的测量数据，尤其针对电推进器卫星，单次机动时间长，且控制频次高，无轨控测量数据更为有限，导致估计大气阻力系数误差偏大，通常不估计，预报精度相对有限，只能降低轨道控制频次，获取更多测量数据定轨，导致轨控时长增加。因此，考虑在定轨模型中加入机动模型，对推进器的推力大小和方向构建模型，并引入推力大小和方向变量，利用轨控阶段的测量数据，实现大气参数估计、推力器推力大小和方向估计，利用最小二乘法实现对机动状态下的推进器摄动模型构建与求解，获取相对可靠的轨道根数和大气参数，通过实际GNSS数据和轨道机动验证，采用机动模型的定轨精度与无轨控阶段的定轨精度基本一致，并且由于采用更长的测量数据，可以获取更为可靠的大气阻力系数，提高频繁机动情况下的低轨卫星预报精度。
- 2024 Vol. 41(6): 116-122, 170
| [摘要](21) | [PDF](12)- 多约束多目标光学星自主任务规划算法研究
- 陈议，魏建宇，赵传军，汪少林，杨伟平，周军
- 针对不断增长的卫星智能化需求，及其带来的卫星和目标之间可见窗口的快速计算需求，卫星在轨自主任务规划算法研究的必要性不断提高。在传统固定步长递推算法无法满足需求的情况下，本文提出一种结合几何方法和牛顿二分法的卫星对地观测目标可见窗口快速优化算法，在此基础上提出多约束多目标光学星自主任务规划算法，并进行仿真验证。试验结果表明:该算法兼顾计算效率和结果精度需求，与传统固定步长递推算法相比，提高了计算效率，并使得精度不下降并易提升，且满足多约束多目标场景需求。
- 2024 Vol. 41(6): 123-130
| [摘要](25) | [PDF](11)- 基于曲线坐标的非线性椭圆相对动力学问题
- 赖东方，钱佳程，景前锋，梁玉莹
- 针对现有航天器相对运动解析解精度不足的问题，首次在曲线坐标系下进行建模分析，计算航天器非线性椭圆相对运动的解析解。利用贝塞尔函数求解开普勒方程，将航天器相对运动在各个方向的分量表示为傅里叶的形式，分离出航天器相对运动状态关于时间的常数项、长期项、长周期项和短周期项。在此基础上，引入虚拟航天器，计算椭圆参考轨道相对运动的解析解。对航天器相对运动解析解的误差进行评估，分析影响解析解精度的主要因素，验证该解析解在较大的偏心率和轨道倾角条件下精度损失较小，同时降低了计算复杂度，从而更好地进行主从星的构型保持、预测和机动。
- 2024 Vol. 41(6): 131-141
| [摘要](19) | [PDF](14)- 一种太阳翼驱动机构的组合控制器研究
- 李文韬，陈金宝，蒋范明，王建园
- 本文主要针对太阳翼驱动机构(SADA)的直驱式永磁同步电机(PMSM)的驱动方案进行控制器设计。基于PMSM的特性，提出了矢量控制模型。针对矢量控制系统速度环比例-积分-微分(PID)控制器，在低速甚至零速运行工况下，具有超调量和鲁棒性差的问题，提出了速度环的双模糊比例-积分(PI)控制器的设计;针对矢量控制系统传统电流环PI控制器参数整定较为烦琐的问题，提出了电流环的无差拍电流预测控制器的设计。试验结果表明:相较于传统的速度环-电流环双PI控制器的设计，新式组合控制器具有较好的稳定性和抗干扰特性。
- 2024 Vol. 41(6): 142-149
| [摘要](29) | [PDF](14)- 一种超宽带多通道射频数字一体化微系统的设计与实现
- 贺鹏超，边明明，李康荣，匡乃亮，刘曦，杨宇军
- 异质异构三维立体堆叠技术是目前解决系统小型化、集成化的最有效手段之一，而在微尺寸高集成环境下，多芯片集成、射频通道设计、电磁兼容及射频性能测试等问题值得研究。本文基于陶瓷基板和硅基板，结合三维全波电磁场仿真和射频探针测试，研究了三维立体堆叠下的射频数字一体化封装设计、射频通道设计、电磁屏蔽以及测试，设计并实现了一种20~40 GHz的超宽带4T16R射频数字一体化微系统，并对其基本指标进行了测试。
- 2024 Vol. 41(6): 150-157
| [摘要](29) | [PDF](13)- 非零效脱靶量计算方法及影响分析
- 刘勇，李瑞康
- 脱靶量是检验寻的飞行器性能的一项重要指标，为了提高脱靶量解析计算精度，应用理论推导，建立了控制作用下的脱靶量解析计算模型，分析了影响脱靶量的参数，并通过数字仿真，研究了脱靶量变化规律。结果表明:所建立的脱靶量解析计算模型正确，相比传统零效脱靶解析计算模型具有更高的解析计算精度，在众多影响参数中导引头盲区大小、稳定系统响应快慢、目标横向机动能力是影响终端脱靶量的关键因素，最后给出了减小终端脱靶量的措施。
- 2024 Vol. 41(6): 158-163
| [摘要](22) | [PDF](13)- 某型球窝喷管伺服系统跟踪特性分析及补偿策略研究
- 王厚浩，潘卫东，周道，林秀沪，方李
- 为提高某型球窝喷管摆角跟踪精度，针对球窝喷管跟踪特性开展分析及补偿策略研究。将球窝喷管伺服系统等效为双惯量系统，建立了含伺服机构与球窝喷管的系统耦合模型，同时引入LuGre摩擦模型对摩擦力矩进行表述;采用仿真分析方法，分析系统联结刚度、摩擦力对球窝喷管跟踪特性的影响;提出含摩擦前馈加刚度补偿的复合控制策略，对摩擦力矩抑制的同时保证喷管高动态下输出精度;建立球窝喷管伺服系统仿真模型并验证了算法有效性。仿真试验结果表明:摩擦补偿可抑制系统在低速时的波形畸变，提高球窝喷管低速跟踪性能，其次，引入刚度补偿后，喷管在中高频的频率特性逼近伺服机构频率特性，动态跟踪性能得到提升。
- 2024 Vol. 41(6): 164-170
| [摘要](27) | [PDF](14)
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