摘要：以多样成像模式对挠性敏捷卫星姿态的快速机动控制为需求,本文针对金字塔构型控制力矩陀螺(control moment gyroscope, CMG)群为执行机构的挠性卫星,提出基于三段式正弦角加速度的姿态路径规划方法及具有滚动优化思想的跟踪控制算法.在姿态机动路径规划方法设计中,融合谱分析及非线性优化方法,设计了兼顾卫星姿态机动快速性及抑制挠性附件振动性能的姿态轨迹;为实现对规划姿态轨迹的高精度跟踪,综合加权优化指标及奇异性、执行机构能力等约束,设计了金字塔构型CMG群框架角速度的非线性模型预测(nonlinear model predictive control, NMPC)跟踪控制律.在转动惯量存在测量误差及空间干扰情况下,多种姿态机动仿真表明,本文提出的控制方法是有效的,且表现出较强的鲁棒性.

摘要：为实现高灵敏度条件下近距离空间目标的探测成像,通过设计惯性空间跟踪、terminal滑模稳定控制指向方法和成像行频自主匹配技术,利用高灵敏度CMOS相机实现了对空间目标的稳定指向和高信噪比成像。最后,利用卫星三轴气浮姿控仿真系统、空间LED目标显示系统和高灵敏度CMOS相机成像系统,进行惯性空间跟踪稳定指向姿控仿真及外场高灵敏度成像试验。试验结果表明:对惯性空间目标稳定指向的过程中,稳像姿态控制优于0.02°与0.001 5(°)/s时,成像曝光10ms可获得信噪比为19dB的低照度图像;利用F数为10的GSENSE400CMOS相机,在光照度为0.05lx和行频自主匹配成像姿态的10ms曝光时间条件下进行20km近距离外场成像试验,能够获得SNR大于18dB的高信噪比图像。

摘要：为了满足敏捷卫星广域搜索需求,设计了航天相机环扫成像模式。建立环扫成像模型,通过对环扫成像原理的分析,设计了成像的最优地面轨迹,并分析了此时临界卫星旋转速度与轨道速度、环扫临界系数、帧间重叠率的关系;同时基于地面轨迹设计了确定曝光时间、帧频等成像参数解算方案。通过Satellite Tool Kit(STK)软件对成像模型进行仿真,并对成像几何参数进行分析,结果表明:在轨道高度H为500 km,像素尺寸a为4μm,焦距f为1 m,轴向像元数M为50 000时,随着相机倾角ζ的增加,地面像元分辨率与幅宽逐渐增大;ζ等于10°、20°、30°、40°时,地面幅宽分别提升为星下点成像时的1.96、3.10、4.58、6.85倍。

摘要：为降低对地观测小卫星单机安装点加速度响应均方根值,提出了一种使加速度响应均方根值最小化的微小卫星主承力结构拓扑优化方法。首先对整星方案进行了有限元分析,分析显示整星Z向某些单机安装点的随机振动加速度响应均方根值过大。对系统进行了灵敏度分析,确定了卫星主承力结构底板是影响随机振动加速度响应均方根值大小的关键因素。以卫星单机安装点的加速度响应均方根值为目标函数,以体积作为优化的约束条件,应用连续体结构拓扑优化思想对卫星有限元模型进行拓扑优化设计,得到了一种单机安装点加速度响应均方根值满足指标要求的卫星主承力结构。最后,通过有限元分析与振动试验,证明了本文所设计的小卫星主承力结构力学性能参数均满足设计要求,其中整星的星敏感器、蓄电池、电源控制器等关键器件安装点的加速度响应均方根值相比优化前分别降低了23.3%、10.6%、11.3%,得到的结果验证了本文优化方法的有效性。

摘要：为解决卫星灵活机动多模式成像中多片TDI CCD拼接像元失配的问题,提出了一种实现TDI CCD相机成像搭接与错位像元快速拼接配准的匹配算法。通过分析卫星侧摆成像过程焦平面上像移速度矢量变化导致的多片TDI CCD拼接成像像元失配现象,设计了成像速度矢量光线追迹与齐次坐标变换方法,计算了侧摆成像过程中影响图像失配的偏流角、像移速度矢量和两片TDI CCD拼接纵向错位方向和横向搭接方向的像元数目。利用小卫星姿态控制系统半物理仿真平台和TDI CCD原理样机系统对两片TDI CCD拼接像元匹配算法进行实验验证。结果表明:视场角为10°的TDI CCD相机在卫星侧摆30°成像时,经过1个拼接周期后,两片TDI CCD拼接纵向错位和横向搭接像元数目由初始的148.5和50变为137和49,其中横向搭接像元数目与理论计算结果仅有0.1pixel的偏差,纵向错位像元数目与理论计算结果基本一致。经实验和理论对比分析,所设计的纵向错位与横向搭接像元快速拼接配准算法能够解决TDI CCD图像拼接的准确性,确保图像像元匹配进而获得高质量的图片。

摘要：随着时间延迟积分技术(Time Delayed and Integration,TDI)的不断成熟,具有TDI功能的电荷耦合器件(Charge Coupled Devices,CCD)已经广泛应用到高分辨率对地成像系统。然而,采用TDI功能的成像系统在推扫成像过程中必然会受到像移的影响,导致最终成像模糊。主要分析了TDI成像过程中光学系统畸变引起像移的原因,推导了畸变产生像移的数值计算公式,分析了光学系统畸变对TDI成像相机调制传递函数的影响,研究了畸变和像移导致的TDI成像相机图像退化的关系,针对焦距为9 000 mm、积分级次96级、地面像元分辨率GSD=0.6 m,λF/p=1、信噪比为50:1的TDI成像相机,计算了在畸变产生的像移影响下导致的NIIRS(National Imagery Interpretability Rating Scale,美国国家图像解译度分级标准)的变化值ΔNIIRS,计算结果表明在畸变导数值D′(θ)=6.493时引起的ΔNIIRS达到-0.162 4将影响图像的解译需求,最后分析给出了对于该空间相机不影响解译需求的D′(θ)限制条件。可为光学遥感TDI成像系统的设计提供参考。

摘要：结合薄膜聚光器的光学特性,同时考虑空间太阳形状模型、薄膜表面反射误差的概率模型,采用蒙特卡罗光线追迹法计算空间薄膜抛物面聚光系统接收面上辐射能流密度,分析薄膜聚光器的表面反射误差、焦径比、接收器的遮挡作用和接收器的位置对系统接收面上辐射能流密度分布的影响,为空间薄膜聚光系统的参数设计和性能分析提供参考。

摘要：为实现卫星摆扫成像,降低载荷体摆动过程中对卫星姿态的影响,提出两个相同载荷体对称摆动的方案,并规划给定角度范围内的摆动规律,使载荷体在滚动轴和俯仰轴分别具有0.6(°)/s、6(°)/s的角速度,通过对两载荷体摆动特性及动力学、运动学特性的分析,提出以反作用飞轮对卫星偏航轴剩余力矩进行补偿控制的方法。以某卫星示例进行仿真分析,结果表明:两载荷体对称摆动过程中滚动轴和俯仰轴的合成力矩和角动量对卫星姿态无影响,而偏航轴存在周期性变化的力矩,采用0.2 Nm的飞轮进行动量补偿后得到卫星姿态指向精度和姿态稳定度可以控制在0.032°、0.006(°)/s以内,能够实现较高精度的对地面区域摆扫成像。说明以两载荷体对称摆动的方案实现卫星摆扫成像并满足成像需求,在设计理念上是可行的。

摘要：目标特征点三维坐标的测量精度直接影响目标位姿的解算,准确确定影响目标位姿的误差因素,对各项误差进行合理分配及综合,是提高目标测量精度的关键。目前,像点提取精度、特征点匹配精度根据现有算法已达到瓶颈,而在摄像机内部结构及标定等方面提高测量精度还有较大的研究空间。通过建立成像点坐标测量方程,综合分析各误差因素对目标位置的影响。通过实验分析与仿真,摄像机内部结构误差及标定误差对成像点坐标的影响在一个像素内,当f=0.031 9 m,目标距离为20 m时,目标位置总体测量精度为0.029 4 m。对光学成像系统内部结构的设计及电子器件的选型具有较大参考价值。

摘要：采用terminal滑模控制方法研究了以单框架控制力矩陀螺(SGCMG)为执行机构的小卫星的姿态机动控制。首先,基于修正罗德里格斯(MRP)参数建立了小卫星数学模型,以terminal滑模控制方法进行控制力矩规划。然后,采用SGCMGs作为小卫星执行机构,以非对角奇异鲁棒操纵律跟踪terminal滑模控制产生的期望力矩;通过仿真分析归纳出terminal滑模控制设计参数的变化规律和选取原则。最后,利用小卫星三轴气浮转台实验验证termianl滑模控制方法的实用性。实验显示:根据参数选取原则设定的参数进行小卫星机动稳定实验得到的姿态角和姿态角速度控制精度和稳态误差分别小于0.1°和0.01(°)/s,满足三轴气浮转台最佳控制精度。结果表明terminal滑模控制方法在小卫星机动稳定任务中具有很高的控制精度和稳定度,能够为小卫星成像任务稳定执行提供良好的基础。