一种面向在轨服务卫星地面应用系统的软件开发方法

为解决现有在轨服务卫星地面应用系统瀑布式软件开发模型灵活性差,难以适应用户需求变化等不足,通过利用敏捷开发模型的思路,设计了一种迭代式在轨服务卫星地面应用系统软件开发方法,将用户纳入到软件开发过程中,在各个研制阶段持续与用户进行需求迭代,完成业务软件的功能升级。结果表明:该方法可提升业务软件功能与用户需求的匹配程度,并为后续在轨服务卫星地面应用系统的建设提供参考。

在轨服务系统评估方案研究

在轨服务系统是复杂的空间应用系统,直观、有效的评估方法将对该系统总体研究工作以及今后的任务实施起到重要的指导作用。为对在轨服务系统完成任务的能力做出科学合理的评估,在把握相关领域技术发展的前提下,建立了在轨服务系统综合效能评估指标体系。运用层次分析法和灵敏度分析的思路,研究了在轨服务系统效能评估方法,为在轨服务系统的建设提供理论参考。

空间在轨服务技术进展

为解决当前在轨系统面临的诸多难题,对国内外空间在轨服务技术进展进行研究。介绍在轨服务技术的发展背景及发展意义,分析人工在轨服务技术现状和自主式在轨服务技术进展。结果表明:在轨服务技术能有效地延长在轨航天器的寿命,提升其性能;基于OSV技术的自主式在轨服务已成为发展低成本、高可靠空间维护和服务技术的必然选项,下一步将向智能化自主式方向发展。

多任务在轨服务模块化智能航天器技术研究

首先介绍了在轨服务技术的分类及国内外近期研究进展,结合各国已开展项目的验证情况,分析了在轨服务模式、适应多任务在轨服务航天器的发展思路。为适应卫星发射和在轨服务的任务需要,提出了多任务服务航天器的方案设想,以期降低在轨服务操作的难度,提升在轨服务系统执行多任务的能力。最后初步分析了用于演示验证任务的服务航天器总体参数及任务规划。

空间在轨服务技术发展综述

空间技术的飞速发展促使空间在轨服务技术成为了一个新的、独立的研究方向,传统的、以航天飞机为代表的空间在轨服务成为了今后这个方向的发展基础,并在此基础上出现了空间自主在轨服务技术,它以成本低、风险小、隐蔽性高、军事利用价值强等特点,成为了未来空间技术新的研究热点。介绍了空间在轨服务技术的概念、任务和研究现状,分析了其发展趋势和关键技术,并着重分析了空间自主在轨服务中的自主控制技术。

地球静止轨道在轨服务技术研究现状与发展趋势

地球静止轨道(GEO)是人类仅有的一条独特卫星轨道,是极其珍贵的轨道资源。首先分析了GEO环境现状和未来趋势,然后从"GEO轨道保护"和"GEO卫星在轨维护"两方面论述了GEO在轨服务技术的内涵、服务机会和效益,介绍了世界各国GEO在轨服务技术的主要研究进展,归纳了其中的关键技术。最后,对未来的发展趋势进行了展望。

面向在轨服务的可重构细胞卫星关键技术与展望

为解决传统航天器设计模式所面临挑战,本文分析了当前航天器设计的技术现状和体系结构不能满足在轨服务要求等突出问题。以'凤凰重生'的设想为代表,提出了面向在轨装配任务的可重构细胞卫星技术,分析了细胞卫星的内涵和结构及接口设计理念。针对面向空间装配的在轨服务所面临的挑战,提出了可重构细胞星的关键技术,包括构型优化、信息融合、多细胞结构的控制和针对精细装配的空间遥操作等。最后针对我国的技术现状,提出了我国开展细胞卫星研究所需解决的问题和未来发展建议。

在轨服务中空间系绳的应用及发展

针对空间系绳在空间在轨服务中的应用与发展问题,在简述空间系绳传统应用及试验情况的基础上,综述了空间绳系机器人、空间绳网机器人两类新在轨应用方式的研究和发展,主要包括动力学建模、结构设计、相对状态测量、逼近/抓捕控制、拖曳变轨等。最后进一步讨论了空间系绳未来的研究方向。

基于离散粒子群算法的多飞行器在轨服务任务分配

为解决多约束条件下飞行器在轨服务任务分配问题,以在轨卫星群为研究对象,提出了一种基于离散粒子群算法的多服务飞行器的目标分配方法,综合分析目标飞行器价值、服务飞行器消耗以及能量时间消耗等3项关键指标因素,建立了在轨服务任务分配问题的数学模型。通过构建粒子与实际问题间的对应关系,设计了新的离散粒子群位置和速度更新公式求解任务分配问题。仿真结果表明:离散粒子群算法具有收敛速度快,寻优能力强等优点,能够有效地解决多约束条件下的服务飞行器协同任务分配问题。

在轨服务航天器对失控目标的姿态同步控制

研究在轨服务航天器逼近与捕获失控目标过程中姿态同步的控制问题,设计了一种基于姿态四元数的姿态跟踪控制算法.通过建立服务航天器相对失控目标的姿态运动学与动力学,将服务航天器跟踪失控目标航天器姿态的控制问题转化为相对姿态的控制问题.考虑未知干扰和控制力矩受限的因素,并以相对姿态四元数的二阶形式描述相对姿态动力学,利用反馈线性化原理和自适应算法的思想,设计姿态同步的非线性反馈控制律.数学仿真的结果表明,设计的控制算法是有效的,具有较好的跟踪性能.

在轨服务飞行器服务范围的定量分析

为了分析单艘在轨服务飞行器的最大服务范围,综合轨道动力学和球面几何学原理,利用经典二体动力学模型、霍曼转移轨道模型以及球面三角的几何关系,得出了一定机动能力的OSV(on-orbit service vehicle).从待机轨道出发,通过改变轨道平面和改变轨道高度能够到达的最大服务范围的计算方法,设计了不同高度、倾角和机动能力OSV服务范围的仿真算例,给出了直观的对比图,分析了服务范围与各种参数的关系和变化规律.该方法定量分析了单艘OSV的服务范围,指出该范围是三维空间中的轮环形空域,据此提出待机轨道的选择要使OSV的服务范围包含服务目标的运行轨道.

在轨服务航天器任意轨道主动绕飞

针对在轨服务航天器对目标器进行全方位监测和抢修要求,根据速度脉冲转移算法进行了在轨服务航天器任意轨道的主动绕飞.文中将绕飞轨道周期分为N份,在每份时间内采用速度脉冲转移算法实现预定位置点间位置转移,进而完成整个预定轨道绕飞.接着进行了算法的误差分析,给出了实际选择最少脉冲数的方法以满足预定轨道制导精度.最后进行任意轨道主动绕飞的数学仿真.仿真结果表明该制导算法较常规算法节省能量,能有效地完成任意轨道的主动绕飞.

共面圆轨道航天器在轨服务任务规划

为了降低"一对多"在轨服务的成本,以共面圆轨道卫星群为研究对象,开展了在轨服务任务规划问题的研究。首先,对"一对多"在轨服务任务场景进行了分析,建立了任务规划数学模型,将其简化为包含内层Lambert问题、外层最优时间分配问题的双层优化模型。然后,给出了任务规划求解方法及流程,提出采用工程图解法的思想求解内层多圈Lambert问题,采用遗传算法求解外层最优时间分配问题。最后,以三个目标航天器为例,针对限制和不限制在轨服务任务完成总时间这两种情况,采用上述方法进行求解,计算结果验证了方法的有效性。

在轨服务飞行器自动寻的段的接近策略分析

在轨服务飞行器在自主式在轨服务系统中发挥重要作用,实现在轨服务飞行器与目标服务对象间的交会是在轨服务任务过程的必要阶段。为优化交会过程自动寻的段的接近策略,对基于Hill方程的双冲量机动策略进行了分析,讨论了在轨服务飞行器的初始轨道参数和机动时间选择对接近过程的影响。运用典型算例,得出两航天器的轨迹、速度和机动消耗在不同坐标系的变化规律,指出了算例中机动消耗随在轨服务飞行器初始参数变化的特点。

在轨服务航天器对失控航天器参数估计算法研究

为获取空间失控航天器运行参数,采用单目视觉在服务航天器上进行在轨参数估计。对于非合作目标航天器以其外形特征直线为观测对象,采用对偶四元数描述相对位置和姿态,建立视觉相机观测模型和目标器相对运动模型,并以这些模型为基础,以位置、姿态及惯量比为估计变量,推导适合IEKF形式的系统状态方程和观测方程。IEKF虑波在虑波周期内能够对状态更新信息进行多次迭代,进而减少了观测方程线性化引起的误差,确保了整个虑波估计的收敛稳定。最后进行了相关算法的数学仿真,仿真结果表明采用文中设计的虑波算法能够实现相应参数的在轨估计。

在轨服务中的仿生抗冲击结构研究

针对在轨服务航天器末端执行器在抓捕目标时由于速度不匹配而产生的振动问题,本文受自然界中高速奔跑的袋鼠腿部结构启发,将嵌套仿生X形结构安装在服务航天器机械臂和抓捕机构之间,来抑制由碰撞所产生的抓捕后振动。通过对此系统在受到外冲击力下进行建模分析,并与传统的弹簧质量阻尼器和单层仿生X形结构的隔振性能进行对比,仿真结果表明,此嵌套仿生X形结构隔振系统具有更好的振动隔离效果,能够更加有效地抑制航天器抓捕后振动。

在轨服务航天器任务指派问题

一个在轨服务可有多种服务选择,必须进行合理的任务指派。首先求解服务航天器满足燃耗约束下的可达区域,筛选出满足可达范围要求的目标航天器。然后,以任务执行时间、燃料消耗和航天器服务优先级为优化目标,研究多目标的任务指派问题。通过设计决策变量,考虑时间、燃耗等约束,建立了基于0-1整数规划的任务模型,采用NSGA-Ⅱ算法,求得问题的Pareto最优集,得到多组可供任务设计者选择自己偏好的折中方案。给出了两个多目标优化的仿真算例,算例一给出了任务指派的一般研究结论,算例二对比了另外一种算法:分层-加权法。仿真结果表明利用给出的方法可以较好地解决多目标下在轨服务任务指派问题。

在轨服务双臂空间机器人的参数辨识

以在轨服务自由漂浮双臂空间机器人为研究对象,根据机器人本体携带的测速敏感器测得本体质心的线速度及角速度,基于线动量及角动量守恒,分别对双臂空间机器人本体和单操作臂(另一机械臂悬空)抓取未知目标卫星的过程进行未知参数辨识.文中对空间机器人模型进行了符号推导建模,分析并解决了利用该方法进行惯量参数辨识过程中的线性方程组奇异性问题,研究了机器人的各类参数对辨识研究的影响,并通过数值仿真验证了参数辨识方法的可行性和有效性.

航天器在轨服务技术体系解析

针对国内学术界和工程界对在轨服务的定位不统一、技术研究较零散的问题,在吸收现有多种不同概念合理内核基础上,对在轨服务概念的内涵和外延进行了界定,明确了在轨服务是以在轨航天器为对象,围绕运行保护、状态维护和功能维持进行的,以外援式、自主式或二者融合方式实现的航天工程活动;基于上述的概念界定,构建了在轨服务"三叶草"结构模型和四元素映射关系模型,描述了在轨服务涉及的补充给养、清除障碍、监视行为、诊断病态、处置故障、延长寿命六个方面内容与"去得了、跟得上、测得准、抓得住、修得好、放得开、躲得掉"七项目标,归纳了服务技术的基本架构,提出了我国在轨服务技术优先发展的四项建议。上述结果可为在轨服务技术研究奠定一个相对系统的框架体系。

受约束在轨服务航天器近距离交会制导算法

提出了在轨服务航天器对于处于圆轨道目标航天器进行近距离逼近和分离算法。算法以C-W方程解析解为基础,是航天飞机与其它航天器交会接近阶段滑翔制导算法的改进形式。采用距离和速率成幂函数或分段线性函数关系,使算法能够实现任意指定转移时间的位置转移。为减少脉冲总数,又在考虑安全速度、制导精度等约束条件下获得了脉冲间最大滑翔时间。算法在逼近或接近目标时采用减速机制,在分离时采用加速机制,使航天器能够有效自主地完成空间中任意时间和方向的位置转移。仿真结果验证了算法是正确、可行的。