空间控制技术与应用

Select 美国高轨空间安全发展态势及其关键技术

胡海鹰, 朱永生, 江新华

2022, 48(3): 1-10. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2022.03.001

摘要 ( 251 )

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航天技术的快速发展推动着太空军事化愈演愈烈，高轨独特的轨道资源优势使其成为大国间太空博弈的战略要地.本文综合调研美军部署于高轨的典型空间安全飞行器，从高轨态势感知、高轨攻防能力两方面对其任务执行能力进行分析、研判美军的高轨空间安全应用能力及其相关关键技术，并在此基础上对我国高轨空间安全体系的建设与发展给出了相关建议.

Select 空间安全飞行器GNC技术研究进展

邹奎, 宁宇, 吕楠, 张世俊

2022, 48(3): 11-21. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2022.03.002

摘要 ( 192 )

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本文分析天基感知与攻防体系下的空间安全飞行器制导、导航与控制(guidance, navigation and control, GNC)技术特点，给出空间安全飞行器GNC系统6项关键技术的内涵、实现方法及工程进展，提出空间安全飞行器GNC技术发展路线，可为未来空间安全领域的发展提供参考.

Select 美国GSSAP卫星观测模式分析与研究

王典军, 武冠群, 韩璐, 经姚翔, 刘崇华, 尚霄宇

2022, 48(3): 22-28. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2022.03.003

摘要 ( 160 )

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本文针对美国太空部队部署在GEO的态势感知卫星GSSAP的设计和在轨运行模式进行了分析，包括近年来GSSAP轨道数据统计以及GSSAP典型观测场景分析，提炼出漂移巡视、机动巡视与抵近等在轨运行的策略.同时针对提炼的三种策略开展仿真，比较不同工况下的效能，并分析不同倾角目标对卫星机动能力的需求，为我国未来在轨服务、空间碎片监测任务技术发展提供借鉴.

Select 基于多星编队的GEO目标巡视策略

刘付成, 叶立军

2022, 48(3): 29-38. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2022.03.004

摘要 ( 84 )

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地球同步轨道(简称GEO)目标巡视卫星(简称巡视星)轨道半长轴与GEO稍有不同，巡视星相对GEO目标会存在东西向相对漂移，因此巡视星可用于对全球GEO目标的观测.本文以低于GEO目标的巡视星为例，对GEO目标的单星巡视效能进行了分析，指出了单星巡视存在成像盲区和成像概率低的问题.提出了多星串行编队的GEO目标巡视策略，该策略在解决上述问题的同时，还有助实现对GEO目标的多方位多角度成像，优化了成像效果.最后，针对几种在轨典型巡视需求，介绍串行编队参数设计方法并给出设计结果.

Select GEO在轨服务任务建模与强化学习服务序列规划

蔡亚星, 王兴龙, 朱阅訸

2022, 48(3): 39-48. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2022.03.005

摘要 ( 50 )

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面向地球同步轨道卫星故障修复和功能维护的在轨服务系统是我国正在建设发展的重要航天系统工程之一.针对地球同步轨道多目标服务任务规划问题，提出了一种在轨服务任务建模与强化学习服务序列规划方法.推导了航天器轨道动力学模型和霍曼兰伯特四脉冲交会模型，针对几种典型的地球同步轨道在轨服务任务建立了任务模型，基于强化学习设计了目标卫星服务序列规划方法，并通过数值仿真验证了任务规划方法的有效性.仿真结果表明，该方法能够真实全面地反映服务卫星在目标交会和任务执行过程中的轨道参数改变以及速度增量和时间消耗，规划得到的最优服务序列更具工程实用性.

Select 航天器多约束空间抵近掠飞轨迹优化方法

张庆泽, 尹龙逊, 张强, 王博, 叶东, 王佐伟

2022, 48(3): 49-56. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2022.03.006

摘要 ( 60 )

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近距离掠飞能够以较小的燃料消耗实现对空间目标的抵近观测，是空间态势感知的重要手段.任务航天器抵近目标航天器后实施观测，需满足合适的观测距离、光照角度等诸多条件，该过程具有很强的约束性，因此需要寻找一种既能快速优化，又可使优化后的轨道满足任务需求的优化算法.本文设计了一种综合多步优化和序列二次规划综合的优化算法，并提出了针对近程观测任务约束条件的简化模型，用以处理运算过程中的非线性约束问题，在符合任务需求和满足约束条件的前提下实现燃料最省的轨道机动.通过程序运算及仿真，验证了算法设计的有效性及简化模型的合理性.

Select 空间机动飞行器末级火控机构目标控制量修正方法

宁宇, 王露莎, 邓家权, 宫经刚, 王明明

2022, 48(3): 57-62. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2022.03.007

摘要 ( 42 )

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空间作战环境对平台火控系统指向精度控制提出了高要求.针对空间平台末级火控机构控制量输入，提出了应用单位矢量的乘法观测模型修正观测输入的算法.证明了现有加法观测模型线性化误差会导致代数计算与几何实际不匹配，推导了对该问题的理想修正方程和能够实际应用的近似修正方程，通过模拟随机运动扰动和正弦曲线运动扰动分析了修正效果.并对空间平台控制状态下采用修正方法对载荷指向进行修正进行数值仿真，验证了修正方法的有效性.

Select 基于TOF相机的超近程空间非合作目标的位姿估计

姜丽辉, 郑循江, 杨逸峰, 赵旸, 张徐玮, 孙朔冬

2022, 48(3): 63-71. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2022.03.008

摘要 ( 69 )

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基于TOF(time of flight)相机设计一种融合目标二维灰度信息与三维点云信息的位姿估计算法框架，解算追踪星与非合作目标之间的相对位姿.该算法框架使用TOF相机获取的目标的灰度图像和三维点云数据，采用基于弧段的椭圆提取方法和ICP(iterative closest point)点云迭代方法求解非合作目标的相对位姿信息.融合了基于灰度图像的图像处理算法与基于点云的位姿优化迭代算法提高了位姿解算算法的精度与鲁棒性，通过地面测试试验验证了所提算法框架的性能.在轨试验表明本文所提算法框架可以稳定有效地解算超近程空间非合作目标的相对位姿，为追踪星GNC分系统提供可靠导航信息且TOF相机输出相对位姿精度优于2°、5 cm.

Select 一种基于手眼相机的空间机械臂在轨标定方法

肖帅, 王韬, 张树华, 梁静静, 张世俊, 吕文华

2022, 48(3): 72-77. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2022.03.009

摘要 ( 55 )

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提出了一种基于手眼相机的空间机械臂在轨标定方法.该方法采用DH参数法建立空间机械臂系统的非线性模型，通过设计在轨标定测例,利用手眼相机获取在轨标定数据，然后采用数值迭代的方法直接基于空间机械臂非线性模型进行求解，从而完成空间机械臂的在轨自标定.通过对一个七自由度空间机械臂进行数学仿真，对该方法的有效性进行了验证.该方法直接基于非线性模型采用数值迭代算法进行解算，避免了基于线性化模型进行解析计算带来的精度损失，提高了在轨标定精度.

Select 基于轴不变量的空间机械臂多臂协同灵巧操作控制策略研究

王海明, 曾鸿, 于兆吉, 罗鹰, 居鹤华, 韩建斌, 张玉梅, 王玉超

2022, 48(3): 78-83. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2022.03.010

摘要 ( 69 )

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面向未来航天器在轨组装与维修等需求，针对空间大型航天器，设计了一套多航天器多臂协同操作系统.在此基础上，开展了基于轴不变量机械臂动力学模型研究，并设计了模糊变结构控制器，为多臂协同操作提供了控制策略.在对机械臂原理样机的工程DH参数进行测量后，导入开发的多体动力学仿真系统中，对多臂协同操作过程开展了动力学仿真与测试，从而验证了多航天器多臂协同操作系统的可行性，为未来的在轨组装与维修任务奠定了技术基础.

Select 微重环境小脉冲激励下液体晃动等效模型研究

陈宗宇, 宋志军, 吕敬, 王天舒

2022, 48(3): 84-92. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2022.03.011

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针对空间攻防领域的航天器对接、抓捕等任务工况.研究了微重环境下的液体晃动问题.使用CFD数值实验的方法研究了微重环境下液体的晃动特性，实验结果显示：液体晃动可分为4个阶段，每个阶段的液体流动规律差别较大，其中，第1阶段的初始时间段充液系统的响应与激励成比例变化关系.利用此规律，提出小脉冲激励下的充液系统等效惯量模型，并设计数值实验验证了其正确性，模型误差为3.2%.除此之外，论文还研究了等效惯量模型的适用性，并得出模型的最佳适用范围.

Select 航天器快速轨道机动过程中时变转动惯量实时辨识

魏远明, 王孟磊, 耿云海, 吴宝林

2022, 48(3): 93-101. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2022.03.012

摘要 ( 69 )

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空间态势感知活动中，航天器需要快速轨道机动对目标进行近距离观测，因燃料消耗快导致转动惯量较大改变.本文针对航天器快速轨道机动过程中转动惯量时变问题，改进了扩展卡尔曼滤波算法，提出了一种时变转动惯量实时辨识方法.首先，根据辨识算法需要，设计了线性状态观测器估计角加速度.然后，考虑转动惯量的时变特性，给出了含有参数时变信息的预测误差协方差矩阵，并以角加速度作为滤波所需的系统输出信息，对参数预测值进行修正，得到了辨识时变转动惯量的改进扩展卡尔曼滤波算法.最后，设置转动惯量以不同方式进行变化，使用传统类PD控制律进行状态跟踪仿真，实现了时变转动惯量的滤波辨识与姿态跟踪控制.

Select 星载触发式瞬态目标智能感知算法

徐安林, 郭绍刚, 贺盈波, 季月明

2022, 48(3): 102-108. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2022.03.013

摘要 ( 82 )

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星载触发式瞬态智能感知系统采用动态有效像素+传统积分型帧图探测的新解决方案，解决单一探测器对快速运动目标检测与识别等问题.星载触发式瞬态目标智能感知算法针对远距离瞬态暗弱高速目标的捕获、追踪和识别定位开展研究，采用脉冲神经网络与联合概率滤波算法，实现对目标进行智能检测、追踪和识别.

Select 星敏感器激光辐照损伤效应研究

黄禄明, 杨雨川, 邬志华, 付怀龙, 郭锋, 任伟艳, 张新宇, 张巍

2022, 48(3): 109-114. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2022.03.014

摘要 ( 76 )

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星敏感器在轨工作期间易受激光辐照损伤，本文针对该问题进行了仿真建模研究，基于有限元分析方法建立激光损伤星敏感器APS探测器概率模型，设计并开展了激光对星敏感器的损伤实验，完成仿真与实验数据对比分析.结果表明，激光功率密度在1.2~3.5×105W/cm2范围时，星敏感器APS探测器出现线损伤、十字损伤、大面积损伤等损伤效果，微观形貌观察发现探测器感光元上面电路层出现了损伤，实验值与仿真结果具有较好一致性，为后续天基光学设备激光损伤效应研究提供了数据参考.