深空探测航天器控制系统自主管理软件架构研究

深空探测航天器距离远、环境复杂,测控站遥测和遥控操作不能满足控制的实时性和安全性要求,自主管理技术是提高航天器对未知环境的应对能力、提升飞控实效性的主要手段。回顾了深空探测航天器自主管理技术发展的现状,分析了实现自主管理的关键技术,并结合深空探测工程实施和技术发展需求,提出了未来航天器自主管理系统体系结构和软件架构,并进行了仿真实验。     

自主深空DTN组密钥管理方案

深空DTN(delay tolerant networks)网络难于提供可靠的端到端服务,因此在组密钥管理中密钥管理中心不能及时有效地执行密钥更新过程。针对这一问题,提出了一种自主组密钥管理方案。通过单加密密钥多解密密钥密钥协议设计逻辑密钥树,树中的叶子节点为成员的秘密加密密钥,非叶子节点为公开加密密钥,组成员具有和密钥管理中心相同的能力——更新逻辑密钥树中公钥,并且保证组密钥更新的前向和后向安全性。与LKH(logical key hierarchy)方案对比,建议的组密钥管理方案加入更新消息开销减少一半,退出更新消息开销为常数,与组成员规模无关,无需密钥管理中心支持,满足长延时深空DTN网络安全需求。     

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.     

导航卫星自主健康管理研究

传统的基于卫星遥测的故障定位方式,存在故障发现时间晚、故障定位难、故障恢复时间长等问题,不适应于导航定位的高可用性、高连续性的要求;为了提高导航卫星的服务能力,提出了一种导航卫星载荷自主健康管理的方法,设计了全系统的健康管理策略,具有全系统自主监测、逐级定位、快速恢复的优势,同时采用冗余对比的方法排除监测单元自身故障所引入的虚警,提高了系统的可靠性。     

面向稳定目标的深空探测器可重构性评价与自主重构设计

针对现有研究中缺乏指标指导深空探测器控制系统重构策略设计的量化指标的问题,本文研究了在资源受限且不可维修的条件下,面向稳定目标的深空探测器可重构性评价和自主重构设计问题。本文将在地面设计阶段考虑深空探测器控制系统的可重构性,并基于可重构性评价指标指导系统的自主重构控制方法,从设计角度提高深空探测器控制系统运行质量。首先通过左右互质分解的技术手段,基于稳定性目标,定量地给出了系统可重构性指标,描述并评价了深空探测器控制系统的重构能力;然后基于所得指标,为控制系统重构设计提供理论参考依据;最后通过数值仿真证明了该方法的有效性和正确性。     

航天器多维动态可配置健康管理系统设计

以工程任务为牵引,提出了一种基于多维动态可配置模型的航天自主健康管理及控制系统设计与实现方法,有效解决了不同航天器间自主控制管理需求差异大、开发效率低等问题,具有一定的创新性。阐述了系统的设计思路,并给出实现示例,通过参数的动态表格化配置、判据的多源拟合等设计,实现健康管理规则库的构建;通过数据有效性服务的设计,完成对航天器健康状态判断数据源的质量控制;无差别异常检测模块、异常隔离与恢复等模块的设计,保障了航天器异常状态的实时处置,确保航天器安全运行。通用化的模型设计可支持不同航天器的自主健康管理及控制系统,已获得多个型号整器级测试应用验证,具有推广价值。     

航天器健康管理平台设计技术研究

随着我国航天器数量增加以及广泛应用,提高我国航天领域健康管理技术水平的重要性日趋凸显。本文针对我国航天领域健康管理技术体系不完善,航天器全生命周期健康管理能力较弱,缺少健康管理系统设计、验证技术和工具等问题,设计了航天器天地一体化健康管理平台,建立了航天器健康管理技术体系框架,探讨了航天器健康管理设计开发和验证技术,构建了航天器天地一体化健康管理系统,为最终形成未来我国航天器设计、开发、验证与运行管理过程中的全生命周期健康管理解决方案,解决未来多航天器全寿命周期综合保障问题,进行了有益的技术探索。     

UPF在探测器自主导航中的应用

利用星敏感器和地平仪测量"星光仰角",进行自主导航方案设计.将UPF(Unscented Particle Filter)方法引入导航方案,利用UKF(Unscented Kalman Filter)获得重要性采样函数的同时,通过重采样解决了粒子耗尽问题,改善了系统性能.并与标准粒子滤波方法相比较,通过仿真验证了该方法的优越性.     

基于机器学习建模的航天器健康管理平台研究

近年来,随着深度学习等技术的快速发展和航天器系统数据量的不断增加,新型的机器学习平台凭借其友好的流程化分析框架、丰富的即插即用机器学习工具、分布式的服务等诸多优点,为航天器等领域复杂问题分析处理提出了新思路;在分析了航天器故障预测与健康管理方面存在的难点以及机器学习优势基础上,提出了面向机器学习建模的航天器健康管理平台设计方案与方法,分析了多语言融合的健康管理算法模型构建、基于分布式的健康管理计算服务引擎等关键技术,并以某卫星电源系统太阳电池阵功率预测等案例详细说明平台实际应用情况,验证结果表明研究成果能够为基于机器学习建模的航天器健康管理技术研究与应用提供技术参考,最终提高卫星、空间站等航天器的安全性。     

国产化RISC-V芯片的健康管理工程设计及实践

为了实现基于国产化RISC-V芯片的低成本健康管理工程,提出了一种使用两颗低成本单片机的级联方案。将健康管理工程互为备份地实现在两颗芯片上,通过芯片间交互协议同步信息,同时主控芯片也可访问到单片机上的信息。实测结果表明,基于国产化RISC-V芯片的健康管理工程能够实现稳定、可靠的数据传输,满足系统设计需求。     

深空探测转移段光学成像测量自主导航及仿真验证技术

本文研究了深空探测转移段光学成像测量自主导航涉及的导航天体的选取与规划、导航天体图像的处理、观测方程与状态方程的建立、导航滤波算法的选取以及数学与半物理仿真验证等技术,提出了导航目标最优选取与成像序列规划、复杂导航星图提取与识别、无迹变换导航滤波以及光学成像测量自主导航仿真验证等方法.数学和半物理仿真试验验证结果表明,提出的方法有效提高了自主导航精度.     

A task‐based and resource‐aware approach to dynamically generate optimal software architecture for intelligent service robots

Intelligent service robots provide various services to users by understanding the context and goals of a user task. In order to provide more reliable services, intelligent service robots need to consider various factors, such as their surrounding environments, users' changing needs, and constrained resources. To handle these factors, most of the intelligent service robots are controlled by a task‐based control system, which generates a task plan that represents a sequence of actions, and executes those actions by invoking the corresponding functions. However, the traditional task‐based control systems lack the consideration of resource factors even though intelligent service robots have limited resources (limited computational power, memory space, and network bandwidth). Moreover, system‐specific concerns such as the relationships among functional modules are not considered during the task generation phase. Without considering both the resource conditions and interdependencies among software modules as a whole, it will be difficult to efficiently manage the functionalities that are essential to provide core services to users. In this paper, we propose a mechanism for intelligent service robots to efficiently use their resources on‐demand by separating system‐specific information from task generation. We have defined a sub‐architecture that corresponds to each action of a task plan, and provides a way of using the limited resources by minimizing redundant software components and maintaining essential components for the current action. To support the optimization of resource consumption, we have developed a two‐phase optimization process, which is composed of the topological and temporal optimization steps. We have conducted an experiment with these mechanisms for an infotainment robot, and simulated the optimization process. Results show that our approach contributed to increase the utilization rate by 20% of the robot resources. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

航天器热试验电源健康管理系统的设计与实现

航天器热试验对程控电源的数量需求规模较大,电源以机柜阵列形式进行配置,其运行状态的稳定性将直接影响试验的安全性与可靠性。本文对热试验用程控电源的健康管理技术进行研究,以Agilent N5750型电源为研究对象,基于程控电源历史故障类型分析,对程控电源故障检测技术进行研究,并结合电源冗余切换技术,设计电源在线切换装置。通过试验验证,该系统能够快速实现在用电源的故障检测定位,并能够在秒级时间内完成故障电源向备用电源的在线切换,系统全部工作周期小于3s,实现了控温系统大规模电源阵列的智能健康管理,提高了航天器热试验控温系统的运行可靠性。