分布式航天器应用系统编队构形优化设计一般方法

从系统性能优化角度出发，提出分布式航天器应用系统编队优化设计一般方法，将其概括为求解一个优化问题。根据系统任务要求，建立通用目标函数，用性能指标的加权和来表示；选取优化问题的决策变量，用编队设计变量的矢量组合表示；以基线矢量过渡，建立性能指标与编队卫星设计变量的关系，进而建立优化问题的目标函数与决策变量的关系，得到完整的优化问题描述；采用遗传算法求解。针对主星带辅星群体制分布式干涉合成孔径雷达（interferometric synthetic aperture radar，InSAR）系统进行仿真编队优化设计，并与干涉车轮和钟摆进行仿真分析比较，仿真结果验证了优化设计方法的有效性和正确性。

分布式航天器系统的测控网络架构与关键技术

针对航天器测控资源消耗随目标数量的增长而快速上升的问题,提出了分布式航天器系统的测控网络架构构想,并梳理了关键技术及解决途径。该网络从逻辑上分为控制面和业务面,两个面分别采用不同的组网方式各司其责,通过业务面的不同子网同时响应多个不同应用,从而实现了编队航天器等集群目标同时测控与信息交互的目标,解决了传统测控中心集中式带来的问题,满足了测控与管理在可达性、可靠性等方面更高的要求。

分布式航天器间距离测量信号处理机的设计

根据分布式航天器小型化要求，采用大容量可编程门阵列（field programmable gate array，FPGA）和数字信号处理器（DSP）设计了一种分布式航天器间距离测量信号处理机，处理机可以对航天器间的相对距离进行高精度测量，实现航天器自主距离解算；根据距离测量对处理机的设计要求，从硬件结构和软件模块设计上讨论了处理机的设计思想和方法；最后在处理机上进行了航天器间相对距离测量模拟试验，证明了处理机的宽带信号处理能力。

分布式航天器相对轨道确定方法

根据航天器相对运动的C-W-Hill方程建立的动态模型,以及基于无线电测量方案建立的相对距离观测模型,提出了一种用扩展卡尔曼滤波(EKF)确定分布式航天器相对轨道的方法。用STK、Matlab软件进行的仿真验证结果表明,该方法可确定分布式航天器相对位置和相对速度,所获解的精度较高。

分布式航天器相对状态测量方法研究

分布式航天器队形保持、交会对接等任务需要实时、高精度地测量航天器间相对状态。在分析国内外研究现状的基础上,提出分布式航天器间相对状态测量的方法。对同步组网方式、相对测距方法、抑制泄漏干扰和多址干扰等航天器间相对测量的关键技术问题进行了研究。

分布式航天器相对位置测量平台设计

分布式航天器间相对位置的实时高精度测量是分布式航天器实现空间队形保持的关键技术之一。为了对相对位置测量方法进行研究、分析和论证,建立了分布式航天器相对位置测量地面实验平台。介绍了分布式航天器相对位置测量和解算的基本原理;论述了仿真平台的组成和功能;基于仿真平台对相对位置测量精度进行了仿真试验,试验结果显示该平台具有良好的性能指标;最后介绍了相对位置解算仿真评估软件的设计方法。

基于kalman滤波的分布式航天器相对状态解算

根据所提出的利用无线电和激光测量两航天器相对状态的测量方案,利用动力学法建立了关于待估参数即两航天器相对位置参数的动态状态方程,建立了测量方程,利用卡尔曼滤波法对相对位置进行解算,分析了克服滤波发散的方法,给出了具体仿真算例,通过对仿真结果的分析发现,提出的模型与解算方法可有效提高航天器间的定位精度。

空间编队飞行——分布式航天器系统开发了GPS的新功能

本文阐明:GPS测量方案和技术不断取得进展,业已开发出能对航天器编队飞行任务进行精确定位的GPS方案。从飞行高度高达30000km(超过GPS星座运行轨道的高度)的卫星上取得了初步的肯定结果。GPS将能充当一大类多个卫星编队飞行任务的导航系统,这将使未来空间科学研究发生革命。

应用SpaceWire网络的航天器分布式存储系统设计

针对航天器数据存储需求多样化的发展趋势,提出了应用SpaceWire网络的分布式存储系统设计。系统由控制模块和存储模块组成,为航天器载荷设备提供标准SpaceWire物理层、链路层接口,并在网络层提供统一的虚拟数据接口,通过逻辑地址进行标志和寻址,可屏蔽系统内部网络细节;载荷设备不必关注存储系统内部网络结构的变化,当部分模块故障时,可重新规划传输路径,对分布式存储系统进行重构,实现系统控制和数据存储功能的迁移。与存储需求相近、配置双固态存储系统的设计相比,其接口种类、协议设计更加简化,且系统重构方面的优势更为明显。

航天器编队飞行及其关键技术的开发

简要论述由分布式航天器系统构成的空间编队飞行的概念 ,扼要介绍 NASA为未来航天器编队飞行项目开发的几项关键技术 ,着重阐明基于 GPS的分散式编队飞行控制和相对导航技术能充当未来多星编队飞行任务的导航系统 。

多模块航天器转移轨道优化设计

轨道动力学是适用于全局优化的众多应用领域之一。着眼于分布式航天器转移轨道优化,提出了所有航天器模块连续地从停泊轨道转移到目标轨道,并同时保持相对位置的方案。最优控制问题已经确定。性能指标的选取标准是在有限的燃料下将总体轨道转移时间降到最低。总体轨道转移时间是包括消除航天器之间在停泊轨道上的相位差耗费时间和所有模块长距离轨道转移时间之和。当选取位置和速度作为状态时,最优问题就是一个非常复杂的最优控制问题。然而,通过给出合适的常值状态参量,上述问题就会转变成静态参数最优问题。最终采用基于Matlab优化工具拟牛顿方法的最优化算法解决了这个参数最优化问题。当初始估计良好的情况下该最优化算法能够迅速收敛。另一方面,轨道动力学推力假设能够获得最初估计值。仿真结果证明了多模块航天器的轨道设计策略是实用的,同时证明该最优化算法是有效的。

分布、实时、容错一体化设计方法研究

针对分布式航天器系统的运行环境和特点,对嵌入式系统在空间环境、实时、容错、分布上的需求进行了分析,提出了分布、实时、容错一体化的嵌入式系统设计方法,从满足实时要求下的实时容错能力、免疫与自愈相结合的综合容错能力、单节点的容错与节点间容错相结合的分布容错能力和多种容错方法集成等4个方面,对设计方法进行了阐述。

卫星筒式偏心在轨分离动力学分析

偏心安装的子卫星在轨分离是一类特殊的卫星在轨分离问题。为了给分离地面试验和分离系统设计提供依据,在惯性参考系中分析了筒式偏心在轨分离问题的运动特性。以刚体运动学原理和动力学动量定理、角动量定理及能量定理为依据,建立了分离过程的动力学模型。运用数值求解方法,给出了不同初始条件下的模型求解算例,并对求解结果进行了比较和分析。分析结果表明,分离弹簧物性参数是影响分离速度的主要因素;卫星相对安装位置是影响分离角速度的主要因素。

双向单程距离与时差测量系统及零值标定方法

编队飞行卫星间的距离和时间差测量是实现分布式航天器,完成特定任务的重要基础。在介绍双向单程距离与时差测量系统的基础上,提出测量系统的一种在系统整体零值标定方法,按照天线是否在系统连接,设计了有线对接标定和无线对接标定两种方式。经理论分析和实际应用,表明所测数据稳定、结果可信。文中所提方法可作为一种新的系统零值标定方法,适用于双向单程距离与时差测量系统的出厂标定,系统零值标定的标准不确定度优于0.47ns。

基于异步通信链路的星间基线精密测量技术研究

卫星成员之间信息共享、星间基线测量是分布式航天器(Distributed Spacecraft,DS)实现多星协同完成天基虚拟探测任务的关键技术。该文提出一种分布式航天器星间通信/基线测量的综合链路体制,重点研究了基于星间异步通信链路的双向异步传输帧非相干扩频测距的方法,详细给出算法的计算公式推导和模型误差分析。技术验证系统的实验结果表明该文提出的方法性能指标先进、信道利用率高、功能集成度高,为型号任务提供了一种先进的设计理念。

迭代扩展卡尔曼滤波在相对姿态估计中的应用

在航天器相对姿态测量过程中,由于基于单帧图像的相对姿态测量方法受噪声影响比较大,相对距离较远时,测量的稳定性较差,因此提出采用迭代扩展卡尔曼滤波进行相对姿态估计的方法。首先对卡尔曼滤波进行概述,然后建立基于迭代扩展卡尔曼滤波的航天器间的3D位置和姿态估计系统模型及观测模型,确定系统及测量噪声模型,给出运用卡尔曼滤波方法解决姿态估计问题的具体方法及详细过程,最后通过仿真数据和实测数据对该方法的正确性、可行性进行了验证。