摘要：利用较少数目低轨卫星构建星座实现对特定区域的密集观测任务是2016年第8届中国力学学会全国空间轨道设计竞赛乙组题目的主要内容.本文描述了中国科学院空间应用工程与技术中心的设计方法与结果(该设计结果获得本届竞赛一等奖).针对地面特定区域内225个目标点重访周期小于1 h的观测需求,采用了基于多条共星下点轨迹构建卫星星座的设计方法,旨在使得所需要的低轨卫星颗数最少.星座设计方法包括建立"圆形回归轨道-目标点"数据库、全局搜索可观测所有目标点的圆形回归轨道以及共星下点轨迹卫星星座轨道参数求解等3个主要步骤.设计结果验证了该方法在求解较少卫星颗数、地面特定区域多目标点密集观测问题的有效性.该设计方法有望拓展为低轨卫星星座设计的一类通用方法.

摘要：针对参数未知的空间目标操控问题,考虑空间机器人负载不确定性、系统动力学不确定性和环境扰动等因素,为实现操作过程的稳定控制及机器人轨迹的有效跟踪,提出一种基于径向基神经网络估计不确定项的自适应增益非奇异终端滑模变结构控制器。首先基于拉格朗日法建立空间机器人的刚体动力学模型。考虑空间机器人基座姿态主动控制模式,使用径向基神经网络对模型中的不确定项进行估计。进而提出基于神经网络估计的非奇异终端滑模控制器,并针对不确定性和扰动的估计误差设计自适应增益,以期实现空间机器人系统轨迹跟踪控制的收敛。仿真校验结果表明所设计的控制方法具有较好的误差收敛速度和控制精度。

摘要：在空间科学探测中,通常采用静电悬浮加速度计测量低频准稳态微重力信号,但其体积较大、成本较高。高精度石英挠性加速度计体积小,技术成熟,但用于微重力信号测量时,高频噪声抑制不充分将导致频谱混叠、微重力低频测量精度降低。提出了一种将石英挠性加速度计改造为小量程、高精度的微重力加速度测量系统方案,其核心指标是噪声抑制和抗混叠性能。通过电路建模、仿真,验证了频谱混叠对低频微重力测量的影响以及抗混叠滤波器和过采样技术的有效性。测试实验结果表明,该加速度测量系统的低频噪声水平可以达到10^(-7)g/√Hz,分辨率0.12μg,低频至0.001 Hz,显示出了石英挠性加速度计用于微重力测量的精度潜力。

摘要：干涉式大气垂直探测仪(GIIRS)是风云四号A星(FY-4A)的三大主载荷之一,其主要功能是实现大气温度和湿度参数的垂直结构观测.为了满足卫星数据定量化应用的要求,FY-4A星成功发射之后,围绕GIIRS开展了一系列的在轨定标和性能评价工作.评价结果表明:除部分通道受到有机挥发物的影响,85%的通道灵敏度优于设计指标;利用大气辐射传输模式,通过比较观测光谱与模拟光谱的均方根误差来确定激光有效采样频率,实现了GIIRS在轨光谱定标,精度达到10 ppm;利用星上面源黑体,考虑到非理想干涉图的相位影响,采用改进后的两点式外黑体定标法,实现了星上在轨辐射定标,长波和中波的平均亮温偏差均小于1 K,优于设计指标.

摘要：在微重力落塔释放载荷舱时,由于机械应力、摩擦力等的干扰,会产生旋转力矩和加速度突变,影响载荷舱内的微重力水平。为此,提出了通过主动控制释放电磁力减缓应力影响以提高微重力水平的工作方式。首先对舱体的姿态与位置进行了动力学解耦分析。然后对三自由度控制模型进行了研究,并提出了优化的释放过程运动规划曲线。对比了多种不同释放方式和释放策略的仿真结果,最后设计了释放系统样机,实现了上述电磁释放的运动规划与闭环控制。实验结果表明,与直接释放相比较,所提出方案可以实现载荷舱在0.15 s内从零加速度到重力加速度的平稳过渡,水平方向的加速度扰动幅值降低到3.7%,有效减缓释放过程中的转动干扰,提高载荷舱内的微重力水平。

摘要：设计并实现了一种基于嵌入式平台的激光雷达定位系统,用于特定场景下气浮台的定位与控制。系统主要由激光雷达传感器,DSP嵌入式控制器以及气浮台组成。DSP获取并处理激光雷达传感器原始数据、识别目标特征点、解算坐标值、实现对气浮台位置的实时控制。文章给出室内环境特征点的提取方法、雷达坐标系与系统坐标系坐标转换算法,采用最小二乘法对识别点曲线拟合,并提取有效坐标点,解算物体坐标。实验结果表明,系统的平均定位误差为5 mm,角度误差小于1°,满足气浮台姿态控制所需的定位精度。

摘要：开孔管式除雾器是一种具有较低流动阻力的除雾器,为了研究其结构对性能的影响、设计高效低阻的管式除雾器,借助计算流体力学(CFD)软件,分析了设计变量(翅片直径、螺距、管长和入口流速)对除雾效率和压降的单因素和多因素影响,通过响应面法(RSM)建立数学关系式,并利用第2代非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)进行多目标优化设计,得到了一系列具有较高除雾效率和较低流动阻力除雾器结构的帕累托优化点集。结果表明,增加螺距、管长和入口流速有利于增加除雾效率,加长螺距可以减小流动阻力。与初始设计对比发现,帕累托优化点的除雾效率增加了20.2%,压降降低了60.5%。而且,帕累托优化结果的预测精度较高。

摘要：高温气冷堆结合磁流体发电是一种高效的空间电源系统,可以满足空间任务对于大功率、高效率的需求,具有广阔的应用前景。本文参考美国普罗米修斯计划中的开放栅格方案,结合磁流体发电需满足的设计条件,提出了一种由三角形布置、217根燃料棒构成的堆芯方案。在通过试验数据确定流动模型后,对该空间堆进行了三维建模,并在考虑气隙结构、燃料棒功率分布及堆内辐射的基础上研究其热工水力特性,重点针对环境温度及外壁面发射率展开了热工参数敏感性分析。计算结果表明,该堆芯热工设计满足材料温度、压降限值等指标要求。冷却剂在燃料区横向流动不明显,不存在复杂涡结构,流动现象相对较为简单。稳态热工计算结果对环境温度的改变并不敏感,但发射率的改变影响相对较大。

摘要：部分空间科学实验对环境温度有较高的要求,环境温度高于或低于空间科学系统能够提供的热沉温度,需要有可靠有效的加温降温处理措施。使用可靠性强的热电制冷片作为制冷制热方式和气液换热器二次换热来实现环境温度控制的需求,并对不同流体温度制冷制热效果进行分析,结果表明流体温度和目标温度差越小,热电制冷制热的效果越好。在环境温度制冷工况中,热电单元数量随电流增加先减少后增加,在制热工况中则单调递减,设计中需按照制冷工况进行热电单元数量的确定。当流体温度接近制冷制热的目标温度时,会出现整个系统总效率优于热电系统效率的区间。通过对热电单元和气液换热器的组合系统的性能计算,提供一种适于热电环控系统的计算方法和部件选型思路,对空间站环控系统的设计有重要参考意义。

摘要：为满足对失效卫星上某个特征点位置悬停的同时使追踪星上敏感器指向该特征点,展开了对失效卫星特征点与追踪星间相对动力学建模与控制的研究。在追踪星本体坐标系下建立了六自由度相对位姿动力学模型,并结合失效卫星上特征点的运动规律,给出追踪星的期望跟踪位置和期望跟踪姿态。考虑到追踪星质量、转动惯量、系统所受扰动力、扰动力矩及失效卫星转动惯量的不确定性,设计了复合自适应位姿跟踪控制律,并通过Lyapunov法证明了闭环系统稳定性。对输出受限情况,采取设计控制参数调节过程及输出限幅措施。在仿真条件下,系统在自适应控制律下能够以位置误差约1cm、姿态误差约0.01°完成位姿跟踪任务;增大不确定参数偏差后,位置跟踪误差增至约7cm,姿态误差增至约0.1°;对控制参数进行调节后,可在不影响跟踪精度的条件下在指定范围内限制输出幅值,将幅值限制在指定范围内,并减小控制所需冲量的9%和冲量矩的30%。