航天器自主高精度时间管理系统设计

为满足航天器长期在轨飞行期间高精度的时间同步需求,提出了一种航天器自主高精度时间管理系统,将北斗导航定位授时设备和频率综合器两种时钟源系统进行融合使用,两种时钟源系统可根据导航定位状态自主切换,在消除了频率源系统误差累积效应问题的同时,解决了导航非定位情况下时间精度急剧下降的问题.通过建立系统的误差模型,以航天器应用设计实例进行计算分析,结果表明:系统时间同步精度优于37.8μs.研究结果可以为后续航天器高精度时间管理系统设计提供参考.     

基于反步法的主从航天器相对姿态控制

对主从航天器的相对姿态控制问题,考虑从航天器系统不确定因素,提出了一种基于反步法的姿态控制方法,并引入自适应控制律.该方法首先根据主从航天器的相对位置信息,解算出从航天器观测轴指向主航天器以及从航天器跟踪主航天器轨道坐标系等两种任务的期望姿态;然后基于修正罗德里格参数(MI(P)描述的从航天器姿态误差动力学模型设计了姿态控制器以及针对航天器惯量的不确定性设计了自适应控制律;并基于Lyapunov方法从理论上证明了该方法能够实现全局渐近稳定的相对姿态控制.最后将该方法应用于某编队飞行任务,仿真结果表明此控制器能够实现其编队飞行控制,具有良好的控制性能.     

一种航天飞控计算自动化平台的设计与实现

航天器飞行控制计算是航天器测控任务实施过程的重要内容,针对航天器飞行控制计算软件的自动化实现与调度问题,基于功能分治的思想设计实现了一种支持多星任务、手动与自动模式并存、自动调度与不可自动调度方式并存的自动化调度平台软件,给出了其设计思想、实现方法,研究结果对航天测控软件的开发有一定的参考价值.     

航天器地面测试监控管理系统的设计

分析了航天器地面综合测试监控管理系统的任务,并对航天器地面测试监控管理系统进行了体系结构设计和软、硬件实现.实际应用表明, 该系统具有较强的工程实用性和通用性.     

航天器地面健康管理验证系统设计与实现

航天器地面健康管理系统作为整个航天器健康管理系统的核心,主要为技术人员提供航天器试验、运行和管理过程中的数据分析、诊断、预测等服务。目前由于航天器故障机理难以获取、故障验证环境不足、缺乏统一的验证方法和性能指标,给航天器PHM的研究成果的有效验证与评价带来了困难。提出了一种基于大数据的航天器地面健康管理系统设计思路,并对其验证评估指标体系和验证方法进行了研究,在此基础上设计实现了基于仿真和试验验证的航天器地面健康管理验证系统,通过多个航天器故障仿真和在轨历史数据试验,验证了提出的航天器地面健康管理验证系统设计方法的有效性,能够有效的应用于航天器的地面健康管理过程,具有较强的航天器工程应用价值。     

基于STK的电磁航天器编队飞行仿真研究

电磁航天器编队飞行能有效降低发射成本并延长编队在轨寿命,具有广阔的发展前景.针对其强非线性和姿轨耦合的特点,采用STK软件对电磁航天器编队飞行进行仿真研究.首先对电磁航天器编队飞行基本原理进行分析,给出了轨道姿态动力学模型及解耦控制方案.然后设计了仿真系统的结构框架,解决了电磁航天器三维建模、轨道和姿态数据转换、可视化实现等关键技术,还讨论了STK接口规范.最后采用搭建的仿真系统对电磁航天器编队重构进行了仿真研究.仿真结果表明,电磁航天器编队控制效果良好,仿真系统能够满足电磁航天器编队飞行仿真研究的需要,对其它类型航天器编队仿真研究具有一定的指导意义.     

航天器控制若干技术问题的新进展

航天器姿态和轨道控制技术是航天器研制中的关键技术,对实现复杂航天器的控制以及未来复杂的飞行任务都具有非常重要的作用。文中通过一些飞行实例概述国内外航天器控制技术的发展,论述了航天器控制技术在编队飞行、自主交会与对接和复杂对象控制中的进展。文章通过揭示航天器控制技术领域的研究和发展趋势,为我国航天器制导、导航与控制技术的发展提出建议。     

空间近距操作视景仿真系统研究

在空间近距操作仿真中,根据航天器飞行轨迹和外部环境因素的影响实时的仿真控制航天器的位置、姿态与特效是关键点。通过对航天器飞行轨迹的数字仿真数据和飞行过程中特效的研究,采用数字仿真数据作为飞行状态数据库,基于软件平台Creator和Vega开发出空间近距操作视景仿真系统。对该系统的设计和实现进行研究,通过系统总体框架和场景的几何建模及动力学建模,实现了追踪航天器从最初机动到最终逼近目标航天器以及完成操作的精确仿真,较好地解决了飞行中航天器的位置、姿态控制和各飞行阶段特效的生成等问题,具有较好的实时性。     

面向自主运行的深空探测航天器体系结构设计 及自主任务规划方法

传统的航天器运行管控方式严重依赖地面指控、人力成本耗费大且对任务响应时间长,难以满足深空探测远距离通信时延突出的任务特点,航天器的智能化水平亟待进一步提高.本文通过对航天器自主运行问题进行系统地分析,提出一种基于多智能体的航天器自主运行的体系结构,面向自主系统结构、运行流程等进行了设计.重点针对小行星探测任务,提出了一种包含平台和载荷任务管理的两阶段航天器自主任务规划算法设计方案,能够实现平载一体的航天器自主任务管理,根据高级任务目标输出完整的指令序列.并通过自主任务规划仿真,对相关算法和模型的正确性和可行性进行了可视化验证和分析,为航天器自主运行技术研究提供了一种有益的思路和方法.     

基于超二次曲线障碍描述的航天器交会对接地面实验研究

航天器交会对接技术是众多空间任务得以开展的关键性技术,在进行空间在轨飞行任务之前,需开展相应的地面实验研究.首先,基于二维交会对接模型,提出了一种基于势函数法的交会对接控制方法.其次,考虑与类矩形障碍物的避撞约束以及与心形目标航天器的安全对接区域约束,并采用超二次曲线去描述该障碍物外形.然后,基于花岗岩气浮平台搭建了二维交会对接地面实验系统,设计了航天器气浮模拟器以及电磁对接机构,并开展了交会对接地面实验研究.实验结果表明了所搭建实验系统的可行性,同时也验证了所提出交会对接控制方法的有效性.     

航天器用实时操作系统设计

针对航天器在应用实时操作系统时的特殊需要,设计了航天器用实时操作系统的总体设计方案及内核;总体设计中,将操作系统分为板卡级驱动层、系统内核层、接口层三个层次,并确定了满足航天器任务的最简需求与各层的关系;在内核设计中,设计了双向链表管理器、多任务调度管理器、时钟管理器、消息队列管理器、中断管理器,并在其中体现了最简设计的思想;最后,对航天器用实时操作系统的可靠性设计思路进行了描述;此操作系统目前已应用多个航天器中。     

基于STM32的航天器电气负载监控系统设计

针对传统电气负载监控系统通信纠错率较低,造成航天器电气负载监控准确率较差的问题,基于STM32设计一种新的航天器电气负载监控系统;分别设计电气负载监控系统的硬件和软件;系统硬件主要设计了嵌入式数据接口以及外接设备、驱动芯片以及监控继电器控制模块,WLAN驱动芯片能够有效降低成本和功耗,提高通信速率;通过电气负载监控执行实现软件功能,建立电力负载管理中心软件,提高监控系统的通信能力,提升负载监控的准确性;实验结果表明,基于STM32的航天器电气负载监控系统通信纠错率平均值为92%,航天器电气负载监控过程误差较小,具有一定的实际应用性。     

Progressive autonomy: a method for gradually introducing autonomy into space missions

This paper presents a method under development for introducing autonomy and agent-based software into future space- and ground-based missions while both reducing the risk of mission failures and gaining the confidence and support of mission management and principal investigators (PIs). This is being done using a mechanism to support dynamic agent-community evolution (e.g., agents adapting to community changes, agents joining a community, or agents leaving a community). This dynamic capability of agents is necessary to achieve what we call ‘‘progressive autonomy,’’ which will allow dynamic modification of satellite systems using agent migration to update and modify spacecraft capabilities on an as-needed basis, as well as allow the introduction of mission management and autonomy into existing missions. This paper will also address an application of progressive autonomy through spectral analysis automation (SAA). The long-term fully realized SAA system will be a multiagent system designed to provide automated support for two major functions: (1) the automatic remote filtering (onboard a spacecraft or robotic device) of spectral image data based on PI guidance, goals, and science agenda and (2) the packing and transmission of the selected spectral data to the PI for further processing. Additionally, the innovative multiagent-based infrastructure for the SAA can be generalized in such a way as to enable it to support the type of progressive autonomy that will be needed to support an adaptive and growing autonomous behavior for other spacecraft or robotic subsystems.     

航天器动力学环境试验综合测试系统的设计

航天器在发射之前必须经过严格的地面条件验证;其中，航天器的动力学地面环境模拟试验对其顺利完成任务具有非常重要的意义;在航天器的动力学环境试验中，数据采集设备起着非常重要的作用，介绍了航天器动力学环境试验综合测试系统研制的目的、系统工作的原理、构成、硬件结构的研制以及解决的关键问题;最后的结果表明，这套系统完全可以满足航天器动力学地面试验的任务要求。     

NASA's swarm missions: the challenge of building autonomous software

The National Aeronautics and Space Administration (NASA) introduces its new millenium mission class. Motivated by the need to gather more data than is possible with a single spacecraft, scientists have developed a new class of missions based on the efficiency and cooperative nature of a hive culture. The missions, aptly dubbed nanoswarm is a little more than mechanized colonies cooperating in their exploration of the solar system. Each swarm mission can have hundreds or even thousands of cooperating intelligent spacecraft that work in teams. One swarm mission under concept development for 2020 to 2030 is the autonomous nano technology swarm (ANTS). For software and systems development, this is uncharted territory that calls for revolutionary techniques.     

基于1553B总线三冗余飞行控制系统设计与可靠性研究

对系统可靠性的探讨一直是航天飞行器设计过程中的首要议题,飞行控制系统作为核心系统,一旦出现故障会导致整个飞行任务的失败。以提升飞行可靠性需求为出发点,提出了一种基于1553B总线的飞行控制计算机三冗余设计方案,给出了冗余飞控系统的架构设计、控制板硬件构成、三模块同步方案和表决算法等设计方法,完成了飞行控制系统的冗余设计策略研究。为适应飞控系统的国产化、小型化、轻质化设计趋势,采用了基于国产SoC芯片的SiP模块以实现工程化。为研究三冗余系统方案可靠性,分析其工作状态建立了Markov模型。最后以Simulink图形化建模方法完成了相关仿真,通过对系统进行典型故障注入验证了冗余管理算法,仿真结果表明提高系统故障检测覆盖率有利于增强系统可靠性。     

交会对接多航天器联合闭环测试模式设计与验证

在载人航天领域,多航天器交会对接技术是研制的关键和难题,闭环测试系统设计的重要性尤为突出,用于交会对接的多航天器联合闭环测试的设计与实施,实现了多航天器间的一体化实时动态同步电测,实现了多航天器及其测试系统的时序同步,以及敏感器及其模拟器和机电系统的动力学模型同步动态联合实时驱动的同步控制,采用了多航天器一体化实时精确控制的自动化测试,以及多航天器间多通道大回路信息流的实时统一管理。解决飞行任务阶段,多航天器交互状态的验证问题,在地面真实呈现交会对接飞行的全过程,达到多船器联合电测的目的。     

基于XC7V690T的在轨抗单粒子翻转系统设计

针对核心工业级SRAM型FPGA芯片XC7V690T抗辐照能力较弱、在轨运行期间存在较高单粒子翻转风险的问题,为了提高XC7V690T在轨抗单粒子翻转的能力及配置文件注数修改的灵活性,设计了一种基于XC7V690T的在轨抗单粒子翻转系统架构。其硬件架构主要由XC7V690T SRAM型FPGA芯片、AX500反熔丝型FPGA芯片以及多片FLASH组成;软件架构主要包括AX500反熔丝型FPGA对XC7V690T进行配置管理及监控管理,对XC7V690T进行在轨重构管理,XC7V690T通过调用内部SEM IP核实现对配置RAM资源的自主监控和维护。在轨实验结果表明,采用工业级SRAM型FPGA芯片XC7V690T的某航天器通信机在轨测试过程中成功进行了SEM纠错,通信机在轨工作正常,通信链路稳定,满足使用要求,表明该系统架构可以有效提升XC7V690T抗单粒子翻转能力,可以为其他SRAM型FPGA抗单粒子翻转设计提供借鉴与参考。