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太阳系多星精密定轨软件
曹建峰, 李勰, 鞠冰, 满海钧, 张宇, 刘山洪
当前状态:
摘要(6)
摘要:
针对太阳系空间的航天器轨道计算与应用需求,定位于科学研究与工程试验,研发了太阳系多星精密定轨及数据分析软件(MODAS)。描述了软件的设计与实现,包括数据组织管理、基础服务、观测数据类型、参数解算处理;详细介绍了软件实现的特点,通过对月球、火星、木星及小行星探测数据的处理与比较,验证了软件的功能及精度;对软件下一步发展进行了分析展望。验证结果表明,该软件可应用于多天体、多探测器的联合定轨计算,并可拓展应用于行星科学的研究。
重复使用运载火箭发动机疲劳载荷特征识别方法
徐振亮, 邓思超, 殷之平, 罗洁, 吴胜宝
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摘要(7)
摘要:
针对重复使用运载火箭发动机的原始疲劳载荷数据建模困难问题,选取均方根值作为重复使用运载火箭原始疲劳载荷数据工况划分的标准,通过对重复使用运载火箭原始疲劳载荷数据进行修正短时傅里叶变换滤波处理、雨流循环计数和疲劳载荷特征量高斯分布拟合,实现疲劳载荷数据特性量的识别与规律化处理。研究表明,重复使用运载火箭疲劳载荷数据能用高斯分布模型进行概率分布描述,异常疲劳载荷数据高斯分布参数为正常疲劳载荷数据的3倍以上。该方法可用于精确识别重复使用运载火箭发动机异常疲劳载荷数据,相比于传统异常数据识别方法,可提供异常程度量化指标,为重复使用运载火箭疲劳载荷设计与实时故障分析定位提供一种新的分析手段。
垂直回收运载火箭高精度姿态控制技术
伊鑫, 潘豪, 黄聪, 胡海峰, 赵海滨
当前状态:
摘要(5)
摘要:
针对返回式火箭垂直着陆回收任务中的控制难点,本文全面分析了返回过程中最关键的垂直着陆段对控制系统的需求和约束条件,提出了一种针对垂直着陆段的高精度姿态控制方案,包括:适应大静不稳和晃动极零结构的参数优化设计、增益非线性平滑调度以及基于自抗扰的高精度姿态控制算法。仿真结果表明:1)该方法具备了工程实现性强、模型适用范围广的实用特点; 2)采用所提出的控制方案相比传统仅采用姿态主网络控制方案的控制精度有较大程度的提升,特别在支腿展开稳定过程中控制精度提高接近80%,控制精度提升效果显著,可以满足设计需求。
一种异形轻量化空间光谱仪铝反射镜结构设计
肖大舟, 王立科, 韩超, 刘宇翔, 贺瑞聪, 曹倩
当前状态:  doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220012
摘要(3)
摘要:
针对多通道探测,反射镜数量大,体积、质量要求严苛,光路在空间中交叉折叠,且光学件距离近,易发生干涉的复杂光机系统中反射镜结构轻量化设计问题,针对传统方法要么轻量化率高,但工艺复杂,要么轻量化率有限的问题,提出了一种新型空间光谱仪用异形轻量化铝反射镜结构设计方法,包括材料选择、构型设计、装配变形卸载方式、轻量化设计方法、表面镀层、检测和误差补偿的关键技术,对某型号空间光谱仪的实验验证表明利用本文方法进行设计的所有铝镜的轻量化率均优于50%。本文方法适用于涉及铝反射镜的多种镜类型,可为空间光谱仪铝反射镜设计提供参考。
火星车多光谱相机桅杆精确指向控制方法
卢皓, 张辉, 张朕, 于天一, 崔晓峰, 胡晓东, 费立刚
当前状态:  doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220007
摘要(3)
摘要:
为解决火星车桅杆搭载小视场多光谱相机对特定目标精确指向的问题,设计了火星车桅杆精确指向方法,对火星车桅杆机构运动学过程进行了建模,设计了桅杆控制参数迭代求解方法以及火星车对目标探测工作流程,对提出的控制方法进行了误差分析。经过中国首次火星探测任务实践证明,设计的方法可满足多光谱相机精确指向的要求。
重复使用单级月面着陆与上升器方案设计与制导
李扬, 张烽, 汪小卫, 刘丙利, 郝宇星
当前状态:  doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210146
摘要(5)
摘要:
通过多方案对比分析,提出了一种采用水平姿态垂直着陆的重复使用氢氧动力单级月面着陆与上升飞行器方案,并针对飞行器制动段的推进剂消耗量较大、精度低的问题,提出单级月面着陆与上升飞行器凸优化制导方法,进行了凸优化问题建模及仿真、影响因子分析。研究结果表明,所提单级月面着陆与上升飞行器方案系统简单可靠,可以适应新一代载人运载火箭运载能力要求;所提单级月面着陆与上升飞行器凸优化制导方法应用在水平姿态垂直着陆制动段具有较好的任务适应性,可在满足着陆姿态、位置精度等多约束下获得推进剂消耗量优化结果。重复使用单级氢氧月面着陆与上升器方案应用到环月轨道与月面往返的重复使用运载任务中,可拓展提供轨道间运输+月球表面运输的一体化运载工具,工程效费比高,为未来大规模地月空间探索与开发提供全新的运输系统解决思路。
重复使用液体火箭发动机可靠性评估方法
尕永婧, 李文钊, 宋乾强, 褚亮, 马一通, 解爽, 沈博
当前状态:  doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220035
摘要(13)
摘要:
针对传统可靠性评估需要大量验证子样的问题,开展了重复使用液体火箭发动机可靠性评估方法的研究。分析了重复使用液体火箭发动机点火启动瞬态过程特点和失效模式,在此基础上,将发动机点火启动瞬态过程视作点火器顺利点火和启动瞬态过程两个独立的过程,并分别采用最大熵法和正态容许限法进行评估;同时,应用所研究的可靠性评估方法,分析了不同首次任务上升段可靠度要求和寿命形状参数对试车总时间的影响,以及可靠度随重复使用次数的变化规律。结果表明:所提评估方法能够用较少的试验次数获得较高的可靠性评估结果;随着可靠度要求的提高,发动机总试车时间大幅增加;提高寿命形状参数,在相同可靠度要求下,可大幅减少发动机总试车时间;在相同首次任务可靠度要求下,随着重复使用次数的增加,发动机可靠度逐渐减小。
基于地面拦阻系统的火箭垂直着陆回收机构设计
胡振兴, 宋征宇, 黄海忠, 陈献平, 张希, 章凌
当前状态:
摘要(16)
摘要:
不同于目前可重复使用运载火箭着陆腿回收方案,提出一种基于地面拦阻原理的火箭垂直着陆回收机构方案,在火箭垂直着陆下降过程中,利用地面拦阻索和阻尼器的综合作用实现火箭制动回收。通过仿真分析和原理样机验证,在落点正常、水平偏置和旋转状态下,地面拦阻机构均能实现对运载火箭的拦阻回收,火箭结构承受的过载和冲击较小,姿态稳定。研究表明,拦阻回收机构能够实现箭体安全可控回收。
重复使用运载器回收技术现状与挑战
宋征宇, 黄兵, 汪小卫, 张宏剑
当前状态:
摘要(12)
摘要:
讨论了重复使用运载器的不同回收方式,分析了不同回收方式的特点,阐述了技术挑战及发展趋势。具体为:针对不同回收方式,先后讨论了垂直起降、伞降回收和水平起降这3种模式的关键技术;在垂直起降方面,重点分析了发动机节流、多次起动和着陆缓冲机构这3类关键技术;在伞降回收方面,重点介绍了基于翼伞的火箭残骸落区控制和空中回收技术。对于基于火箭动力的水平起降,从复杂气动力热环境下相关机理研究、热防护、着陆机构、制导与控制共5个方面对存在的难题进行了分析;最后对3种模式的特点进行了总结和对比分析。
基于栅格舵和滑翔翼的垂直起降火箭再入返回气动特性
邓思超, 汪小卫, 徐振亮, 吴胜宝, 王书廷
当前状态:  doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210152
摘要(8)
摘要:
针对基于栅格舵和滑翔翼的两种垂直起降火箭一子级再入返回段的气动特性进行了仿真分析,得到了两种构型一子级的气动特性,分析了其流动结构特征,并研究了气动特性随Ma数和攻角的变化规律。结果显示:基于栅格舵构型的一子级轴向力系数和法向力系数随Ma数先增大后减小;基于滑翔翼构型的一子级在小攻角下轴向力系数和法向力系数在Ma数大于2后随Ma数增大而逐渐减小。通过对比可知,基于栅格舵构型一子级的静稳定性优于滑翔翼构型一子级,更适合于需要精确控制落点的重复使用任务;基于滑翔翼构型一子级的升阻比高于栅格舵构型,更适合于需要远距离滑翔的重复使用任务。
小天体SPC特征导航过程中特征选取原则研究
王安然, 王立, 张成渝, 田启航, 华宝成, 李涛, 刘姝含, 李林
当前状态:  doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220043
摘要(25)
摘要:
针对目前常用的基于SPC的小天体附着探测过程中的导航特征选取困难、工作量大的问题,本文制定了相应的特征选取原则。文中通过对小天体着陆过程中涉及到的特征制备、渲染匹配以及导航定位等过程的分析,得出特征选取的四个主要原则,从而保证特征制备的可行性、渲染匹配过程的鲁棒性以及导航定位过程的精确性。利用源光谱释义资源安全风化层辨认探测器(Origins Spectral Interpretation Resource Identification Security Regolith Explorer,OSIRIS-Rex)任务中的图像数据、高程数据以及SPICE提供的导航信息,对依据特征选取原则得到的特征进行验证。结果表明,依据本文选取原则选取的特征匹配率达96.85%,匹配峰值的均值可达到0.721 5。
基于零刚度原理的小天体着陆缓冲试验技术研究
王昌, 臧立彬, 李广平, 王灏, 徐硕, 赵卫灵, 侯玮杰
当前状态:  doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220063
摘要(17)
摘要:
针对未来空间小天体着陆缓冲试验需求,以及现有竖直向恒力卸载技术的灵敏度低、动态精度差等不足,提出了一种基于磁致零刚度原理的重载、大行程近零刚度支撑的着陆缓冲试验方法。建立了系统的动力学与控制模型,通过Simulink对系统动力学特性进行了仿真分析。研制了小天体着陆缓冲系统测试样机,并开展了微低重力环境下的着陆缓冲试验。结果表明,仿真与试验结果具有良好的一致性,该系统重载下的灵敏度优于0.1‰(0.1 N),在着陆冲击工况下恒力误差小于0.1%。该系统可以适用于小天体着陆碰撞冲击测试,大幅提高了小天体地面模拟试验的测试精度。
运载火箭垂直返回着陆机构构型优化与设计
李元恒, 张宏剑, 宋征宇, 章凌, 王辰, 马红鹏
当前状态:  doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210110
摘要(11)
摘要:
针对运载火箭垂直返回着陆机构方案进行研究,以图论分析、拓扑分析等方法,对不同着陆机构设计方案进行了对比分析,开展着陆机构构型方案优选。以高可靠性为目标,确定了单闭环链的机构方案;以高效率为目标,确定了相关运动副选择方案;兼顾考虑机构能源简化性等因素,提出了一种基于榫锁锁定形式的新式着陆机构设计方案。研究成果可为重复使用运载火箭垂直返回着陆机构研制提供方案参考和技术支持。
小行星多面体模型的深度神经网络近似
倪阳, 泮斌峰
当前状态:  doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022. 20200074
摘要(20)
摘要:
基于不规则小行星的多面体模型,使用深度神经网络对其引力计算和位置判断准则进行了学习近似,提出了一种小行星无动力下降任务的快速计算方法。利用多面体法生成训练数据,训练两个神经网络模型分别用于小行星周围引力场的计算和判别是否到达小行星边界,以实现替代多面体法的目的。这种方法既能保证小行星附近的引力计算精度,又能节省计算时间。以爱神星Eros433小行星为例,仿真计算了该方法下无动力下降过程的轨迹和落点位置,仿真结果显示神经网络模型的计算精度能够满足任务要求,落点位置的偏差在合理范围,并且计算效率高,可用于小行星探测器控制设计。
俄罗斯近地天体监测系统“NEBOSVOD”导航定轨性能分析
郭鹏, Vyacheslav VasilievichIVASHKIN, 郎安琪, 陈香贵, 崔祜涛
当前状态:  doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220045
摘要(77)
摘要:
从光学可探测区域和小行星定轨精度等方面,对俄罗斯近地天体监测系统——“天穹”(NEBOCVOD)的导航定轨性能进行了分析评估。结合天基光学测量系统的特性,通过在日–地旋转坐标系下构建小行星的视星等等值曲线和视运动轨迹,设计了光学可探测区域分析方法;通过对系统的运动和测量进行建模,并考虑不确定性扰动参数的影响,提出了基于改进最小二乘法和协方差分析法进行目标定轨和精度分析评估方法;以危险近地小行星Apophis、2008TC3以及车里雅宾斯克陨石为例,模拟“天穹”系统对不同轨道类型和不同尺寸近地天体的观测和定轨过程,获得了多个导航测量弧段的仿真结果。分析结果表明,“天穹”系统可以有效观测到类似Apophis(直径约320 m)的中型小行星以及更小(直径约4~50 m)的包括从地球阳面飞临的近地天体,并获得足够高的导航定轨精度。相关的研究方法和仿真结果可为同类型天基监测系统的设计研究提供参考。
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2022年第9卷第4期目录
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封面
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2022, 9(4).  
摘要(3) PDF 18189KB(1)
摘要:
专刊:小天体探测与防御 (主持人:崔平远,教授,北京理工大学,尚海滨,教授,北京理工大学)
小天体引力场建模技术进展
尚海滨, 韦炳威, 卢榉承
2022, 9(4): 359-372.   doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220074
摘要(25) HTML(6) PDF 2560KB(3)
摘要:
针对小天体引力场建模问题,回顾了不同学者对引力场计算问题的认识与发展,阐释了不同方法的基本原理和不足;探讨了双小行星系统附近的引力场建模技术与双小行星系统动力学的关系,梳理了双小行星系统动力学研究中引力相互作用的建模技术发展历程;展望了小天体引力场建模技术的发展趋势。
黄道面内多目标小行星飞越探测任务轨道优化设计
郝志鑫, 郑建华, 李明涛
2022, 9(4): 373-381.   doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210143
摘要(179) HTML(25) PDF 2398KB(2)
摘要:
近距离飞越小行星可获取小行星的表面图像、测量小行星的光谱、反演小行星物理化学性质。对潜在威胁小行星实施多目标飞越探测任务进行轨道优化设计,分析了潜在威胁小行星穿越黄道面时刻与位置分布,以小行星穿越黄道面时刻作为探测器飞越小行星的时刻,通过波束选择树搜索算法优化求解序贯飞越序列,建立了一种快速有效求解小行星序贯飞越任务轨道的优化方法模型。仿真结果表明,2024—2028年发射的小行星探测器可在黄道面内飞越探测至少18颗潜在威胁小行星,2027年9月发射窗口在10 a任务周期内可飞越21颗潜在威胁小行星。
双小行星系统不规则引力场中的共振轨道动力学研究
崔书豪, 王悦, 张瑞康
2022, 9(4): 382-390.   doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220024
摘要(55) HTML(14) PDF 3248KB(3)
摘要:
以双小行星系统66391 Moshup为例,考虑小行星引力场的不规则性,采用多面体–椭球引力场模型研究双小行星系统附近的共振轨道动力学,通过打靶法计算得到探测器的共振轨道,并延拓求解了一系列的共振轨道族,分析其稳定性与分岔特点,基于共振轨道流形设计了同宿转移轨道。研究结果表明:引力场的不对称性导致不存在严格的平面共振轨道,且对轨道的稳定性与分岔特性也存在一定的影响;借助共振轨道的稳定特性是转移轨道设计的一个有效途径。
与地共轨小行星附近测绘轨道的性能分析与评估
石玉, 舒磊正, 张皓
2022, 9(4): 391-399.   doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220044
摘要(34) HTML(11) PDF 3591KB(1)
摘要:
在小行星探测任务中,航天器抵达小行星附近后需对小行星的各项基本参数测量,为后续任务提供支持。分析了小行星附近环绕型轨道和飞掠型轨道在小行星测绘方面的性能,采用数值方法分析了不同距离下小行星附近的稳定环绕轨道和双曲线飞掠轨道,提出了考虑光照条件和小行星不规则形状遮挡的覆盖率计算方法,从覆盖率、测绘时间、燃料消耗,以及鲁棒性等方面评价测绘轨道。以近球形小行星Bennu 101955和细长型小行星Eros 433为例,比较分析了其附近绕飞轨道和飞掠轨道的测绘性能,为未来小行星探测中的测绘任务规划提供参考。
小天体导航陆标深度学习预测框匹配算法
肖扬, 李帅, 王光泽, 邵巍, 姚文龙
2022, 9(4): 400-406.   doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220025
摘要(84) HTML(72) PDF 2746KB(1)
摘要:
深度学习算法对小天体陨石坑等导航陆标的识别率比传统算法高,但难以实现在多种图像变化下的匹配,针对此问题提出一种基于特征描述符的识别预测框描述方法,并完成识别结果的匹配。该算法首先确定识别预测框圆形支撑区域,构建具有旋转平移、尺度和亮度不变性的10维特征描述符,采用描述符向量间相对距离对预测框匹配。仿真结果表明该算法对不同变换下图像都具有较强的鲁棒性,预测框正确匹配率达到90%以上,可为小天体探测导航提供技术支持。
小天体近距离视觉导航的陆标鲁棒匹配方法
胡荣海, 黄翔宇, 徐超
2022, 9(4): 407-416.   doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220019
摘要(73) HTML(9) PDF 6760KB(1)
摘要:
针对目前陆标匹配方法难以应对小天体附近极端观测条件的问题,提出了一种陆标鲁棒匹配方法。对通过立体光度测量(Stereo-Photo Clinometry,SPC)法生成的地形陆标的匹配误差进行了理论分析,探讨了陆标的位置误差以及相机的位姿估计误差对匹配结果的影响;基于误差分析对陆标中的表面点进行了优化选取,并提出了加权归一化互相关(Weighted Normalized Cross-Correlation,WNCC)方法,以提高匹配精度、鲁棒性和计算效率;利用高保真度的合成图像序列对比分析了WNCC算法与目前小天体探测任务中广泛使用的归一化互相关(Normalized Cross-Correlation,NCC)算法在极端的尺度、视角和光照变化等条件下的匹配性能。数值统计结果表明,WNCC算法能够高效、鲁棒地为导航系统提供精确的陆标匹配信息。
小天体激光地形测绘与导航一体化设计方法
郭绍刚, 李林, 朱飞虎, 王立, 张运方, 赵琴, 郑岩, 马月超, 张恒康
2022, 9(4): 417-426.   doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220041
摘要(54) HTML(14) PDF 4061KB(4)
摘要:
针对小天体探测高帧率、高分辨率和高测距精度需求,深入分析了激光测绘导航方法现状,提出了一种混合固态激光三维地形测绘与导航一体化设计方法。通过单光子面阵探测器与532 nm光纤激光器实现高成像帧率、二维音圈电机快反镜多模式扫描实现大视场和亚像素成像分辨率,采用达曼光栅分束器实现激光光束高精度扩束与衍射。将其应用到小天体探测中,结果表明:激光测距精度优于3 cm(3σ),帧频4 Hz,成像分辨率达到1 100 × 1 100。所提出的方法可兼顾地形测绘与导航,实现多功能轻小型一体化设计,可极大地降低资源消耗,对中国小天体探测任务的实施具有良好的指导意义。
小天体地形动态模拟与着陆视景仿真系统设计
姚文龙, 刘毅, 邵巍, 孙玉洁
2022, 9(4): 427-437.   doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220010
摘要(151) HTML(1) PDF 4714KB(1)
摘要:
针对小天体探测器着陆段光学图像导航难以开展实验验证等问题,基于虚拟现实设计小天体地形动态模拟与着陆视景仿真系统,实现了探测器姿态设计及着陆序列图像获取。运用三维建模技术建立小天体模型,利用加权最小二乘法实现模型网格光顺;采用线性插值处理贴图,通过球面映射与立体投影映射相结合实现纹理映射;开发虚拟视景仿真场景,根据旋转矩阵法实现探测器姿态设计。实验表明:仿真系统能够满足探测器着陆段图像导航验证需求,可以实现对小天体地形动态观测及着陆图像获取,图形质量高、实时性好,通过具体实例仿真验证了该系统的有效性。
小行星动能撞击自主导航与制导方法研究
黄翔宇, 徐超, 胡荣海, 郭敏文
2022, 9(4): 438-446.   doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220054
摘要(48) HTML(19) PDF 4378KB(1)
摘要:
针对近地小行星精确撞击任务需求,提出了一种小行星高精度撞击自主导航、制导与控制(Guidance Navigation & Control,GNC)方法,包括高精度的小行星中心视线提取、基于小行星中心视线测量的高精度自主相对导航及迭代预测制导。该设计利用小行星中心视线测量实现了在垂直于视线方向上撞击器相对于小行星位置和速度的精确估计,在沿视线方向上撞击器相对位置和速度存在误差的情况下利用迭代预测制导实现了高精度撞击。数值仿真表明,所提出的方案能够实现50 m级近地小行星4 m级撞击精度,满足了任务要求。
小天体表面探测器弹跳运动与路径规划
王棒, 徐瑞, 李朝玉, 高越
2022, 9(4): 447-454.   doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220042
摘要(45) HTML(2) PDF 3036KB(1)
摘要:
针对传统轮式移动探测器难以适应小天体弱引力环境的问题,以立方体构型的跳跃式探测器为对象,分析了弱引力起跳模式,提出表面移动单步弹跳策略,以发挥其越障能力。同时针对这一特性提出变步长A*算法规划探测器表面移动路径,实现避障及越障巡视。仿真结果表明,探测器能够有效越过地形障碍,并且新算法减少了路径节点,对于高密度障碍地形计算效率更高。

2014年创刊 双月刊

主 管: 工业和信息化部

主 办:
北京理工大学
中国宇航学会深空探测技术专业委员会

主 编:吴伟仁

ISSN 2096-9287CN 10-1707/V

地 址:中关村南大街5号

电 话:(010)68915831 / 68915834

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