基于模型操作系统的航天器数字孪生体模型定义初探

在“数字中国”的宏伟目标下,当前我国航天器的研制模式正在从文档驱动的研制模式向模型驱动的研制模式升级转换,基于模型的系统工程(model-based systems engineering,MBSE)是指导这次研制模型升级的核心方法.其中,MBSE的核心内容之一是数字孪生体模型的构建与运行问题.航天器数字孪生体模型由多尺度模型构成,例如航天器系统级数字孪生体模型、子系统级数字孪生体模型以及部件级数字孪生体模型.同时航天器数字孪生体模型还由多维度模型构成,例如结构模型、软件模型和电路模型等.如何将多尺度的模型与多维度的模型按照一定的规范综合链接为一个整体的数字孪生体模型已成为MBSE领域关键研究的内容.本文提出一种具有普适性的航天器数字孪生体模型的构建方法,同时针对航天器数字孪生体模型的通用运行平台的设计架构与原理,提出一种基于操作系统原理的实践方案.

一种轴承摩擦力矩测试方法及其测试系统

介绍了一种利用磁线圈施矩的轴承摩擦力矩的测试方法，给出了测试系统的组成框图。

地球敏感器成像仿真与检测方法

针对地球敏感器的设计与仿真需求,研究了地球椭球成像、大气轮廓、晨昏线及背景星空成像,实现了高精度地球敏感器成像仿真;并在此基础上比较实验了圆拟合、椭圆拟合等不同地球边界拟合及地心检测算法的性能,根据系统在轨运行特点,提出了分步地球图像检测算法.一方面克服单纯圆拟合方法带来的地球扁率误差,另一方面利用轨道先验知识克服椭圆拟合过程中的长轴不稳定性.仿真实验证明,该方法有效地提高了敏感器检测精度及系统鲁棒性,并且时间复杂度低,满足在轨要求,能够有效促进各型地球敏感器的性能提升.

SoC技术在空间应用中的需求分析

在研究国外NASA和ESA的SoC应用及发展情况基础上,结合卫星电子系统组成、SoC在空间应用的技术优势以及当前卫星电子系统小型化对SoC技术的迫切需求,阐明空间应用SoC技术的发展需求,提出SoC空间应用的技术方案。

小卫星磁强计定姿半物理仿真试验方法探讨

针对磁强计定姿的小卫星滤波算法的特点，提出一种利用非磁性转台的半物理仿真试验方法，给出了具体实现的步骤及工程框图。这种方法具有简单、经济的优点。

宇航企业系统化结构化产品保证管理

一、成果实施背景(一)适应宇航企业对标国际转型发展的需要北京控制工程研究所(以下简称"研究所")作为空间飞行器控制与推进领域的核心单位,既承担卫星/飞船控制与推进分系统研制,又供应单机部件产品,从事分系统设计和集成、单机产品设计与制造、应用软件设计和评测等多层级工作。其中控制与推进产品涉及机械、机电、光电、电子、液体推进、软件等多个专业,需满足天基通讯、导航、遥感、载人航天、深空探测、星表行走等多类型需求,因此产品品种多、专业跨度大。为保证多层级、多品种、多专业宇航任务的顺利完成,研究所优化了产业链布局。

面向非合作目标抓捕的机械臂轨迹规划方法

文章针对非合作目标抓捕问题设计了基于误差反馈系数的机械臂轨迹规划算法。考虑到空间机械臂在轨服务要求,采用反作用零空间方法来规划机械臂运动轨迹以实现机械臂与航天器之间的协调运动。为避免在规划起始阶段位姿误差较大可能导致机械臂关节速度过大的问题,引入了位姿误差反馈系数。为对空间机械臂抓捕非合作目标的轨迹规划技术进行验证,搭建了地面半物理仿真系统。试验结果表明,通过合理选择位姿误差反馈系数,设计的轨迹规划算法能够使固定基座机械臂末端执行器以较为均匀的速度逼近非合作目标,并能以较高精度实现对非合作目标的抓捕。该试验可以为空间机械臂抓捕非合作目标的轨迹规划提供参考。

空间机械臂自适应扩展雅克比零反作用控制

针对自由漂浮空间机械臂执行在轨服务(On-Orbit Servicing,OOS)时对基座姿态的扰动问题,设计了一种基于扩展雅克比矩阵的自适应零反作用运动控制器。通过巧妙利用角动量守恒定律,解决了广义雅克比矩阵的非线性参数化问题。基于此,将运动学不确定性和动力学不确定性都考虑在内,采用李雅普诺夫稳定性分析工具,得到了自适应零反作用运动控制器,可以同时实现航天器姿态调节和机械臂末端执行器对任务空间中期望轨迹的跟踪,并且不需要测量机械臂末端执行器的速度。仿真结果表明了本文所提算法的有效性。

小卫星的自适应姿态控制

分析了小卫星的姿态动力学及运动学方程 ;利用姿态动力学方程为一动力学参数矢量的线性函数这一事实 ,考虑存在参数不确定性 ,提出了一种自适应控制方法 ;证明了这种方法可以保证控制系统全局渐近稳定。仿真结果验证了该方法的有效性。

空间核电推进技术发展研究

空间核电推进系统具有高比冲、大功率、大推力和长寿命等特点,广泛适用于未来大型空间探测任务.在调研国外核电推进技术发展和空间应用情况的基础上,针对大型深空探测任务介绍基于核裂变反应堆的核电推进系统国外发展现状,总结核电推进系统所涉及的主要技术内容和已经取得的成果,梳理关键技术,并归纳了核电推进技术的发展趋势,最后对中国发展核电推进技术提出建议.

环境减灾-1A、1B卫星控制系统方案及在轨验证

简要介绍了环境减灾-1A、1B卫星姿态控制分系统的主要功能、指标要求、系统组成、工作模式、控制方案设计和主要故障诊断逻辑。根据卫星在轨运行数据,给出了卫星在轨运行的部分曲线和姿态控制、轨道控制的指标实现情况,对姿态控制分系统方案进行了在轨验证。

偏置动量小卫星抗干扰能力分析与验证

环境减灾-1A、1B(HJ-1A、1B)卫星和海洋-1B(HY-1B)卫星是三颗偏置动量小卫星,均采用偏置动量轮控制和磁力矩器控制,其姿态控制系统具有较强的抗干扰能力。文章对该卫星的抗干扰能力进行了分析和仿真,并根据在轨运行数据给出了验证结果,表明控制系统具有一定的控制精度和稳定性。

空间在轨服务物理仿真系统有效性研究

研究典型在轨服务机器人气浮式物理仿真系统的有效性问题。针对在轨逼近和操作(抓取、移动和释放)这两种关键工作模式,从动力学原理和干扰下响应的一致性两个方面,系统分析了仿真数据的有效性。基于对误差模型的分析,研究仿真系统中干扰因素对仿真数据有效性的影响,给出物理仿真系统的可应用条件。将该结果应用到具体物理仿真系统中,可以对物理仿真试验起指导作用。

空间机器人气浮式物理仿真系统有效性研究

针对典型的空间机器人气浮式物理仿真系统,根据实际系统具有的姿态稳定、相对逼近、空间机器人系统协调运动、抓取和释放等工作模式,从基本动力学原理和两系统中分别实际存在的扰动两个层次上,分析了仿真系统对实际系统模拟的有效性,总结了对仿真结果有效性影响最为严重的干扰因素,分析结果为此类仿真系统的有效性检验提供了一种思路和方法.

基于周期变化惯量积的主动章动控制方法研究

偏置动量卫星姿态控制过程中会产生章动运动。若星体俯仰轴与其它轴存在固定的惯量积,则可以利用偏置动量轮有效地克服章动。针对转动惯量周期性变化的偏置动量卫星,提出一种通过在动量轮的控制律中引入时变的滚动轴信息,利用动量轮克服滚动轴/偏航轴章动影响的方法。通过数学仿真验证了该算法的有效性。

柔性关节自由漂浮空间机械臂递推自适应控制

针对柔性关节自由漂浮空间机械臂,在存在动力学参数不确定性的情况下,通过增加相对阻尼项,提出基于无源性的柔性关节自由漂浮空间机械臂的关节空间自适应控制器,然后得到其递推实现.递推自适应算法由两部分组成:一部分实现所需的机械臂控制力矩的递推,另一部分实现航天器参考速度和参考加速度的递推更新.针对六自由度柔性关节自由漂浮空间机械臂进行了仿真,验证了所设计的递推自适应控制算法的性能.

一种卷积神经网络非合作目标姿态测量方法

针对空间非合作目标姿态测量问题,提出一种基于卷积神经网络的非合作目标姿态视觉测量方法。该方法先设计特征提取网络并利用公开数据集进行预训练,用少量实际目标图像进行迁移学习,实现非合作目标图像高层抽象特征的自动提取;再设计基于回归模型的姿态映射网络,建立图像高层特征与三轴姿态角之间的非线性关系,实现非合作目标的姿态测量。实验验证了两类特征提取网络测量精度和参数量大小,测量精度可达0.711°(1σ),表明了"单目相机+卷积神经网络"方法的可行性。

基于深度学习技术的金属构件残余应力场反演

金属构件中残余应力会对材料结构的力学性质及稳定性产生重要的影响,因此准确高效地确定构件残余应力分布至关重要。传统用于确定残余应力的方法主要有实验法、有限元仿真和反演方法,然而这些方法成本高昂且计算效率低,无法满足实际工程的需要。为了解决上述问题,发展了一种基于深度学习技术的高效残余应力反演方法。该方法使用人工神经网络技术代替了有限元模型修正的过程,仅通过试件表面有限测点即可获得整个表面的残余应力分布。与传统有限元模型修正法相比,该方法显著地提高了反演效率,并通过一个方形开孔弹塑性仿真模拟对其效率和准确性进行了验证。

欠驱动航天器滑模速率阻尼控制

针对具有推力器执行机构的航天器,在一轴推力器失效的情况下,设计滑模变结构速率阻尼控制器,证明系统的稳定性;分析控制器的抗干扰能力,给出控制器参数选取的指导原则;通过将惯量积视为外界干扰的方法,解决了非对角惯量阵航天器的欠驱动控制设计问题.从工程实际情况出发,考虑了推力器的开关工作特性、角速度测量幅值受限、外界干扰和非对角惯量阵的影响.最后通过数学仿真验证了控制器的有效性和工程实用性.

一种改进的投影装置标定方法

提出双目结构光三维测量系统中投影装置参数标定的一种改进方法.利用投影装置将格雷码图案投向若干待测场景,两个相机拍摄和解码同样数量的待测场景照片,采用三角形准则恢复标定角点在空间中的位置,仿照相机标定解算的方法获得投影装置标定参数.该方法优势在于不需要特定的标定平面或者标定靶标,可在测量过程中直接对投影装置标定,也可在预标定之后在测量过程中对投影装置参数进行更新.试验验证方法的正确性和有效性.