一种基于约束规则的航天器全相位交会对接程序规划方法

针对载人航天领域交会对接过程,设计了一种基于约束规则的程序规划方法,将飞行程序按照相关性划分为飞控事件,将事件约束与时间或圈次解耦,形成适用全相位交会对接的规划配置体系,通过一套配置实现各正常、应急分支程序的规划生成,相比传统基于时序的程序设计方法,提高配置的适应性,提高程序设计效率,为后续交会对接程序规划设计提供参考。

混合空间目标下的多航天器抵近观测任务规划

研究了服务航天器对多个空间目标的抵近观测任务规划问题,并考虑了高价值航天器、普通航天器以及失效航天器或空间碎片3类待观测目标。通过构建合理的评价体系,对目标观测的任务方案进行评分。建立了综合观测目标数量、观测目标类型、燃料消耗、单次点火速度增量以及任务时长的多约束优化模型,涉及的优化变量包括目标分配向量、观测次序向量以及观测时刻向量。服务航天器通过一种四脉冲机动策略抵近每个目标。采用进化算法求解规划问题,并提出一种基于动态规划(DP)的局部搜索策略以优化观测时刻,提升优化效率。最后分别给出了针对单一类型和混合类型空间目标的抵近观测任务规划算例,通过与传统进化算法的求解结果对比,说明了所提出的DP搜索策略的优势。

交会对接航天器推力分配算法研究

如何将期望控制指令动态地分配到冗余配置的推力器系统成为航天器控制算法设计的关键问题之一。针对推力器冗余配置的航天器控制分配问题进行初步探索性研究,提出了一种基于控制分配技术的推力动态分配新方法。首先建立推力分配问题的数学模型,并运用伪逆与线性规划相结合的二次分步优化方法对问题进行求解,且将其应用于以推力器为执行机构的交会航天器轨道与姿态一体化控制问题研究。最后对算法进行开环仿真验证,并采用微小卫星物理仿真平台(MicroSim平台)的推力器配置方案进行交会对接最后接近段的六自由度闭环数学仿真验证。仿真结果表明:所提算法在燃料消耗上优于传统的轨道与姿态单独控制模式。

航天器项目研制重要风险源识别及控制措施

针对航天器项目在研制过程中,需要把握的管理方面和技术方面的风险特性,按照项目研制阶段,对存在的重要风险源进行了分析和识别。提出了针对性的控制措施,对相关风险进行控制,以便保证航天器研制任务的顺利完成。

中国载人航天技术的历史性跨越

论述了发展载人航天工程对于增强综合国力和民族凝聚力、充分利用空间环境资源、明显降低空间飞行器的成本和风险、促进科技进步和高技术产业发展的重要意义;还论述了飞船研制返回再入升力控制技术、环境控制与生命保障技术、仪表与照明技术、人工运动控制技术、着陆缓冲技术、应急救生技术、回收着陆技术、再入防热技术取得的重大科技创新成果。

刚体航天器的最小能量姿态机动最优控制研究

针对航天器姿态机动最优控制问题,研究了初始条件和目标状态给定,以三个正交安装的动量轮为控制执行机构且机动控制时间不定的最小能量姿态机动控制方案。首先,采用与传统打靶法不同的非线性规划NLP方法来描述带约束的姿态控制问题,将控制次数设为固定值,将采样周期看作变量,通过迭代方法进行求解;然后,提出NLP初始可行解的构造方法,以不同初始可行解为初值,多次寻优,最终找到刚体航天器最小能量姿态机动的相对最优控制方案;最后,通过仿真试验验证了该方法的可行性和优越性。

基于反步法与动态控制分配的航天器姿态机动控制

针对存在未知转动惯量与外部干扰的航天器姿态机动控制问题,提出了一类基于反步法的鲁棒自适应控制器,并利用Lyapunov方法分析了系统的稳定性;考虑到作为执行机构的反作用飞轮存在冗余性,进一步提出了一种基于约束最优二次规划的动态控制分配算法来实现指令到期望飞轮的指令分配,克服传统伪逆法难以考虑飞轮动态特性、最大力矩等物理约束,并能有效的抑制姿态敏感器的测量噪声和测量异常值,实现控制力矩的平稳性.最后,将本文提出的控制方案应用于某型轮控刚体航天器的姿态机动任务中,仿真结果验证了本文提出方法的可行性、有效性.

轮系航天器的角动量包络分析及角动量管理

文章进行了冗余轮系航天器角动量包络分析及角动量管理问题研究。基于轮系可视化角动量包络分析,提出了一种角动量包络特征参量描述及基于特征参量的沿任意方向飞轮极限角动量的解算方法,并设计了一种基于以飞轮极限角动量为参考的零运动力矩分配轮系角动量管理策略,该方法充分利用轮系最大角动量容量,以避免系统角动量未达到包络面时出现部分飞轮角动量饱和的现象,数学仿真对比验证了所提出策略的有效性。

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;首先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。

载人航天器地面试验验证体系研究

在载人航天器的研制过程中,地面试验验证是保证产品在实际应用环境中正常运行、满足任务要求的主要手段之一。文章在对载人航天器试验技术与方法调研的基础上,系统总结了载人航天器试验覆盖性分析和验证的成功经验,提出了载人航天器系统级试验规划设计方法,找出了系统试验验证技术的薄弱环节。结合载人航天后续任务的特点,从试验管理、试验覆盖性分析、仿真与试验的协调、新型试验技术、试验基础设施等5个方面提出了载人航天器试验技术发展方向和需重点解决的问题,可为后续载人航天器的研制和试验技术发展提供支持。

新型航天器环境试验标准基线与剪裁研究

随着航天任务的多样化和复杂化,以深空探测着陆器、巡视器为代表的新型航天器的运行环境剖面复杂,与传统航天器面临的轨道环境存在很大差别,这也导致了深空探测器的任务成功率要远远低于一般航天器。在地面对新型航天器的功能、性能进行充分、有效的验证,筛除早期缺陷对航天器的地面试验提出了新的挑战。文中系统地整理了NASA《星座计划环境试验鉴定与验收要求》中新型航天器的试验方法,归纳了对于不同装配层级硬件的试验基线,并与通用航天器试验标准SMC-S-016《运载器上面级和航天器试验要求》开展了对标工作,对标准中的基线调整,新型试验手段和试验剪裁技术进行了归纳与分析,提出了对未来我国新型航天器试验方法的建议。

基于混沌粒子群优化算法的空间机械臂轨迹规划算法

针对自由漂浮状态下的空间机械臂系统,研究了基座姿态扰动最小的轨迹规划问题。首先通过正弦函数参数化机械臂各个关节,在机械臂关节角速度、角加速度以及基座姿态变化范围受限的约束条件下,定义了基座姿态扰动最小的目标函数,然后提出了基于混沌粒子群算法的轨迹优化策略,并给出了具体求解步骤。数值算例结果表明,在满足系统的约束条件下,机械臂关节变化平缓,不存在角速度突变的情况,并且比标准粒子群算法具有更快的收敛速度,在优化轨迹下进行运动仿真,结果表明终止时刻基座姿态扰动为1.3708°(三轴合成),而梯形规划的姿态扰动为8.5459°,优化后使得姿态的扰动减小84%,从而说明所提出的算法能够有效减小机械臂运动对基座姿态的扰动。

组合式航天器概念及构型变换最优脉冲控制

为应对多种多样的不确定性对传统航天器的挑战,提出了一种更具灵活性、可靠性的组合式航天器概念。从模块化设计、标准化接口、运行模式、空间任务构型方面对此航天器概念进行描述。它在可维护性、规模可缩放性、可重构性等性能显著增强,特别是具有根据空间任务的不同而进行构型变换的能力。并从相对运动动力学方程出发,本文针对组合式航天器空间任务构型变换,设计了给定机动时间的、以燃料消耗最少为目标的最优脉冲控制方法,生成最优脉冲序列。仿真结果表明,最优脉冲控制方法是实现组合式航天器构型变换的一种有效途径。

登月飞行器软着陆发动机持续工作初始点选择研究

完成了推力幅值恒定的登月飞行器时间最优和燃料最优的软着陆轨道研究。文中将飞行器在月球表面软着陆的轨道分为开普勒下降轨道和制动发动机持续工作轨道两个阶段进行了综合研究。并着重研究了当飞行器从高度为100km的轨道下降到15km近月点时,在近月点附近是否存在一点,在该点软着陆发动机开始持续工作能够更加节省燃料。

深空探测器精密定轨与重力场解算系统(WUDOGS)及其应用分析

WUDOGS是武汉大学自主研发的深空探测器精密定轨与重力场解算软件系统。该软件目前已经具备月球、火星探测器的高精度定轨能力。本文首先简要介绍了WUDOGS设计思路及其主要功能,然后重点介绍了WUDOGS与国际上领先水平的行星探测器精密定轨软件系统GEODYN-Ⅱ的交叉验证测试过程。结果表明:对于探测器的轨道预报,WUDOGS与GEODYN-Ⅱ的1个月位置差异小于0.3mm,2d位置差值小于5×10-3 mm;双程测距、双程测速的理论计算值和GEODYN-Ⅱ的差值分别在0.06 mm、0.002 mm/s的水平;对月球探测器"嫦娥一号"的精密定轨显示WUDOGS和GEODYN-Ⅱ符合在2cm水平,对火星探测器MEX的精密定轨显示WUDOGS和欧空局精密轨道符合在25m水平。该软件目前的研发情况及其与国外研究水平的对比表明WUDOGS具有良好的应用前景,对满足我国后续深空探测发展的需求以及深空探测器精密定轨软件的研发具有重要意义。

基于可重构技术的上面级航天器综合电子系统

为实现卫星工程的整体优化,本文打破传统卫星与运载器独立各自设计的界限,将小卫星和小运载器上面级有机融合构成一类上面级航天器,并给出了适用于上面级航天器的可重构综合电子系统方案。该电子系统以Microblaze软核处理器为核心处理单元,采用基于CAN总线的分布式网络结构提高系统的可扩展性,并利用可重构技术实现电子系统核心处理单元的分时复用,以满足运载段和在轨段对电子系统的不同需求。实现了姿态轨道控制算法硬件化,减轻处理单元的负担,提升了系统的计算和处理能力。设计并建立了半物理实验系统,对飞行全过程、全模式进行了仿真验证。结果表明:运载段控制周期达到10ms,姿态轨道算法硬件化后运行时间约为7.5ms;相机工作期间姿态指向精度达0.035°,稳定度达0.000 68(°)/s。所设计的可重构综合电子系统完成了上面级航天器的全模式飞行任务,满足运载段强实时性、在轨段高可靠性以及高精度控制等要求。

航天器C语言软件常见编程错误分析及检测方法研究

基于软件第三方评测发现的问题,梳理并详细分析了在航天器C语言软件中6种常见编程错误.针对其中的软件安全漏洞提出了使用代码分析技术的检测方法,针对编程语言使用错误提出了通过制定编程规则并使用代码分析方法进行检测的解决方法.采用上述方法可以有效检测出上述6种常见编程错误,并可以用于检测软件的其他严重错误.

ARINC659总线在航天器综合电子系统中的应用研究

ARINC659总线是一种标准的多点串行通信总线,具有完备的数据通信确定性和容错性特点,非常适合在对可靠性和冗余容错性要求较高的航天器综合电子系统中作为标准背板总线。文章在对ARINC659总线架构以及通信机制研究的基础上,结合综合电子系统的标准总线体系结构,重点对基于ARINC659总线的综合电子硬件模块、软件驱动程序和表程序设计等内容进行了详细描述。应用ARINC659总线,不仅能提升航天器综合电子通信的确定性和容错性,也能使综合电子系统的设计由事件触发向时间触发模式转变,由集中式控制管理向分布式并行处理转变,从而显著提升航天器综合电子系统的故障定位、并行数据处理、快速组装与测试能力,以及提高航天器综合电子系统资源的利用率。

一种高精度中继卫星捕获跟踪外场无线试验方法

为了验证中继卫星捕获跟踪系统设计,充分考虑地面环境和在轨应用的差异,提出基于近似远场条件下的中继卫星捕获跟踪技术验证方案。利用中继卫星设备、用户航天器模拟设备、高精度二维轨道模拟设备、光学指向设备、天线重力卸载设备以及地面测试设备等组成的验证系统进行捕获跟踪试验,给出了静目标和动目标捕获跟踪试验结果,并与仿真跟踪过程进行了比对。试验结果和仿真结果一致,验证了文章提出的中继卫星捕获跟踪技术验证方法的有效性,进而验证了捕获跟踪技术方案、单脉冲角跟踪体制、跟踪策略等,为中继卫星在轨可靠工作提供技术支撑。

中国载人航天工程决策过程中航天飞机与载人飞船之争

探讨了中国载人航天计划制定之前,国内有关航天飞机与载人飞船何者优先发展的争论。国家高技术研究发展计划(863计划)虽然将载人航天纳入其中,但主要目的是技术跟踪,而非工程项目。20世纪80年代中后期,围绕中国载人航天发展途径问题,相关部门展开了一场有关航天飞机与载人飞船的讨论。受美国航天飞机的影响,相当数量的专家和部门倾向于优先发展航天飞机。随着研究、争论的不断深入,从中国的国情、时间与成本因素、技术积累以及难易程度综合考虑,最终大多数赞同优先发展载人飞船观点。1992年国家在制定载人航天决策时,把载人飞船作为中国载人航天的第一步。从航天飞机后来的命运看,当时的决策是正确的。这一重大决策的出台,得益于之前广泛的研究、分析与争论。