皮纳卫星编队保持动力学分析

针对皮纳卫星在编队飞行中的控制精度要求已提高到微米甚至纳米级,文章研究了小推力作用下高精度的皮纳卫星编队构型保持问题,在考虑摄动影响下,推导维持编队构型需要的控制力与编队距离、编队空间方位等参数之间的关系,为皮纳卫星编队构型的设计提供理论指导;同时基于bang-bang控制理论,使用有限状态机设计了一种高精度的编队控制律。仿真表明,提出的控制方法不但可以使系统快速收敛,同时还能使皮纳卫星编队的星间控制精度达到1μm,与滑模控制律相比较,精度提高近103倍。

一种皮纳卫星MEMS固体微推力器阵列联合姿态控制的高精度方法

针对低成本皮纳卫星实现高精度姿态控制问题,提出了一种飞轮与MEMS固体微推力器(SPM)阵列双模式执行机构联合控制方法。采用全局快速终端滑模控制律解决皮纳卫星受扰机动快速稳定的问题,并通过了Lyapunov稳定性证明。推导出能量最优切换模型,即分为飞轮单独控制、飞轮与固体微推力器联合控制以及固体微推力器单独控制3个区间,达到了高稳定精度和固体微推力器最低消耗的双重效果。同时利用蒙特卡罗法方法搜索实际力矩与指令力矩最接近的固体微推力器分配矩阵,以合理安排固体微推力器的点火顺序,使其消耗最少。通过计算机仿真计算表明,提出的飞轮与MEMS固体微推力器阵列双模式执行机构联合控制方法可以使低成本的皮纳卫星完成高精度的控制任务,姿态角精度为0.045 7°,姿态角速率精度为0.006 2(°)/s。

1-wire测温技术皮纳卫星星载应用研究

随着皮纳卫星功能的增加以及集成化的提升,传统热敏电阻测温方法由于其电缆走线复杂、电缆数量多的缺点,不利于皮纳卫星的集成化,因此提出了基于1-Wire总线的测温方法;针对航天应用的特点,对1-wire测温芯片DS18B20进行了空间环境适应性分析;根据测温芯片的空间环境敏感性,提出了一种高可靠的设计思路;通过软硬件一体化设计,引入卫星测温安全模式,避免测温芯片在轨失效的问题;该方法通过卫星搭载,在空间中进行了应用验证,结果表明基于1-Wire总线的测温方法可在轨有效并可靠地测量卫星各设备的温度,实现了商用测温芯片的在轨应用,同时降低了星上温度测量拓扑的复杂性;该方法不但满足了卫星温度测量的要求,而且很大程度上减轻了卫星测温电缆的重量,减少了AD转换的路数,提高了皮纳卫星的集成度,具有推广应用的前景。

皮纳卫星遥测数据异常检测聚类分析方法

为满足皮纳卫星高维遥测数据的实时、自动化、抗概念漂移等处理要求,提出一种基于聚类的遥测数据异常检测方法,包括子空间搜索和两阶段遥测数据聚类处理两部分.子空间搜索,通过熵值实现所有遥测数据低维子空间划分,降低计算复杂度,避免"维度灾难"的发生;两阶段遥测数据聚类处理,在线阶段通过网格索引实时发现单点异常,离线阶段通过聚类挖掘数据的集体异常及其特征,满足快速异常检测和复杂异常检测两种需求,并通过正常状态数据的迭代更新和算法的自适应修改,抵抗概念漂移.ZDPS-1A卫星历史遥测数据的分析结果表明,皮纳卫星遥测数据异常检测聚类方法在线阶段能实时处理10 kHz的流量数据,发现95%的单点异常,满足皮纳卫星实时遥测数据异常检测的一般需求;算法自适应了卫星快速转动导致的数据漂移,维持了稳定的单簇形态;同时相比原边界检查系统早一个月检测出姿态确定与控制系统中程序跑飞引起的太阳敏感器数据紊乱故障.所提出的算法针对性解决了高维、存在概念漂移的遥测数据异常检测问题,能实时检测单点异常,具有集体异常挖掘能力,适用于皮纳卫星星座组网的地面监控系统.

皮纳卫星姿控系统分层式故障检测

为了实现皮纳卫星的多故障在线检测,提出针对姿控系统的分层故障检测方案.该方案将系统划分为系统层和器件层,系统层基于卫星动力学与运动学模型设计非线性观测器,实现姿控分系统故障的全局监测;器件层利用动力学模型设计数字动力学陀螺,结合卡尔曼算法新息以及小波分析,实现故障的定位.通过分层检测,可以支持多器件故障的实时检测,能够检测常见的在轨姿态控制系统故障.仿真结果表明,该方案能够实现多器件同时故障的检测,适应突变、偏差、恒增益、输出卡死等故障类型,检测准确率达到92%,误检率低于2%;由于采用假设检验取代阈值判断,相对于常规小波阈值检测方法,故障检测结果的可靠性更高,适应更多的故障类型,避免了阈值的选取问题,且节省计算资源,无需大量的历史信息,能够满足在线实时检测要求.

皮纳卫星数据存储系统设计与在轨验证

为提高皮纳卫星数据存储系统性能和可靠性,提出了一种基于3种介质的"三级数据存储+三模容错架构"存储系统策略.首先,基于对星载存储介质的现状和故障特性分析,选择存储器件;然后对文件系统操作流程进行详细研究,提出错误来源;由此提出了采用ECC纠错、冗余备份和电流保护的方法提高系统可靠性;提前预分配文件空间,建立环形数据存储结构,以减少FS操作复杂性,降低错误率;结合RAM、FRAM、SD卡(secure digital card,SDC)三者的优点,采用三级数据存储策略来提高存储速度和故障容错能力;最后,通过地面实验测试,在1 MB总数量时,数据写入速度提高约4.7倍,任一SDC异常或者系统突然断电均不影响系统正常工作,数据丢失≤1帧,故障切换时间≤10 ms.卫星在轨运行过程中,FS、文件和介质均工作正常,且未影响其他系统工作.地面实验和在轨验证结果表明,数据存储系统方案有效可行,系统可靠性和读写性能均能满足卫星系统的任务需求.

基于盒粒子滤波的低成本皮纳卫星高效姿态确定算法

针对低成本皮纳卫星姿态确定系统在质量、体积、计算量以及能耗等方面的限制问题,本文基于区间分析理论提出了卫星姿态区间化描述方法并建立了运动学区间化方程,提出了基于盒粒子滤波(BPF)的皮纳卫星姿态确定算法。该算法首先采用双矢量算法对太阳敏感器和磁强计得到的量测进行姿态解算,并将解算出的姿态四元数作为伪量测值输入传递给BPF,从而降低敏感器噪声对估计精度的影响。仿真实验表明,相比于传统粒子滤波的姿态确定算法,本文所提出的BPF姿态确定算法能够在保证姿态确定精度的同时大幅缩短算法运行时间。

皮纳微小卫星激光反射器设计及激光测距分析

皮纳卫星是指质量为千克级、以微机电系统技术为基础的小卫星。皮纳卫星能够通过组成星座、编队或卫星群完成单颗大卫星难以实现的任务,被广泛地应用于科研、技术试验、商业遥感等领域。皮纳卫星设计寿命短,在完成在轨服务后就会成为空间碎片,这时要想对皮纳卫星进行精准定位,就必须采用非合作目标的方式进行激光测距。按照目前空间非合作目标的激光探测能力,由于皮纳卫星尺寸小,导致返回的激光信号弱,探测难度大,且随着皮纳卫星发射次数的增多,将严重影响人类的空间科技活动。因此设计出适合于皮纳卫星的激光测距合作目标,使得激光测距技术的高精度特性应用于皮纳卫星的目标监测,这对空间目标高精度测量和提升碎片目标精密监测与预警有着重要的实用价值。本论文紧紧围绕研制出适合于皮纳卫星的微小激光反射器这一目标,立足于低轨皮纳卫星高难度的激光测距实用需求,设计质量轻、分布灵活、满足在轨和成为空间碎片后仍能采用常规的人卫激光测距技术进行观测、且便于标准化配置的微小卫星激光反射器。论文的主要工作内容如下:(1)理论计算并分析了星载激光测距合作目标的速差效应及其补偿方法、有效视场角、有效反射器面积、可观测时间、远场衍射分布、质心误差改正分布等核心技术参数,并以低轨卫星中常用的金字塔结构和八棱台结构激光反射器为例进行分析,为皮纳卫星激光反射器设计提供理论依据。(2)针对轨道高度在250—1 000 km的皮纳卫星,以标准立方体结构皮纳卫星为例,设计了质量不超过150 g、视场角满足360°、测距精度达厘米级、具有足够回波强度、且便于标准化配置的微小激光反射器,并设计了长方体和多面体结构皮纳卫星激光反射器。(3)为我国第一颗大气密度探测实验卫星PN1B设计了星载卫星激光反射器,这是国内首次采用通光口径为1 cm的微小激光反射器阵列,通过TROS1000流动人卫激光测距系统对该卫星进行的激光测距试验,观测期间其回波数最大值达314个/秒,验证了微小激光合作目标能够提供足够的的回波光子数。(4)设计了一种适用于角锥棱镜加工的靠体,在铣磨成型、粗磨及精磨和粗抛工序中直接通过该靠体的翻转实现角锥棱镜的成盘化加工,最后以配重分离器工艺进行精抛。使得角锥棱镜整体工艺方案加工工序减少、生产节奏快、效率高、质量可保证。(5)为确保卫星激光反射器发射成功后在太空环境中能正常工作,以皮纳低轨卫星激光反射器为例,介绍了激光反射器在地面进行的光学性能、力学性能、热学性能及空间辐照性能测试。

PN1B微小卫星激光反射器设计及激光测距试验

大气密度探测实验卫星PN1B于2015年9月在太原卫星发射中心成功发射,为了实现对该卫星星载GPS定轨数据提供检核标准及高精度测轨应用要求,依据卫星无法提供阵列结构激光反射器所需要的安装面积的限制,首次采用通光口径为10mm的微小激光反射器按照不同的指向分布在卫星的棱边。利用TROS1000流动人卫激光测距系统对该卫星进行追踪和激光测距试验,测量结果表明激光回波数据充足,每秒平均激光回波光子数达173个,标志着此类微小激光反射器的应用将会在卫星轨道精密定轨方面发挥重要作用。

基于GPS校准的皮卫星高精度时间系统方案

许多实际应用任务对皮卫星星上时间系统有较高的精度要求,传统采用实时时钟芯片(RTC)的时间系统方案难以满足需求,基于GPS的皮卫星星上时间系统应运而生。受能源限制,皮卫星携带的GPS接收机一般采用间歇性开机方式工作。本文设计实现了一种基于GPS校准的星上时间系统方案,提出了分级校正算法,并对算法中的参数进行了优化,实验表明,每天GPS接收机仅需开机1 024 s,即可保证优于1 ms/d的星上时间精度。整个方案实现简单,且已应用于浙江大学研制的ZDPS-2皮卫星,满足了任务载荷5 ms时间精度的要求。

基于北斗B3频点的低轨卫星实时定轨性能评估

基于自主研制的搭载于浙江大学皮星三号(ZDPS-3)任务的星载GPS/北斗双模接收机,在北斗B3频点上开展低轨卫星实时定轨仿真试验,对基于北斗(特别是B3频点)的实时定轨性能进行评估.结果表明:B3频点的测距伪码码速率高,其抗噪声性能优于B1频点,有利于提升北斗导航系统下的低轨卫星定轨精度.在建立观测模型和定轨算法模型并检验接收机实测数据质量的基础上,利用导航信号模拟器建立半物理仿真实验平台.实验结果表明,在仅使用北斗二号14颗导航卫星的条件下,利用B3频点能获得明显优于B1频点的实时定轨精度,并且与基于处于完全运行状态的GPS的定轨精度相当.

ZDPS-2卫星可靠性试验评估方法

皮纳卫星具有研制周期短、采用商用货架式器件的特点,无法完整沿用传统大卫星通过底层元器件或部组件搭建系统可靠性模型计算整星可靠性的方法。针对上述问题,提出了基于试验数据的皮纳卫星可靠性评估体系。通过对机理不同的硬件和软件故障分别建模的方法,实现了ZDPS-2卫星的可靠性评估。对卫星的硬件故障数,基于顺序约束模型和贝叶斯参数估计方法进行拟合,并考虑了不同试验环境对卫星工作环境的等效因子。ZDPS-2卫星硬件可靠性水平估计为3月末0.85。对卫星的软件故障采用加入变点的非齐次泊松过程模型拟合,并选择Logistic模型作为测试覆盖率模型。ZDPS-2卫星软件故障拟合结果,平均无故障时间为217h。ZDPS-2卫星试验结果证实,可靠性满足增长试验设计的要求和任务需求。

ZDPS-2实时高可靠综合电子系统的逻辑架构设计

针对ZDPS-2卫星的高实时性要求,设计多路并行独占式DMA,实现CPU与包括载荷在内的所有部件的高效交互:54路外设串行接口通信占用CPU时间由565ms降低到50ms,姿控系统传感器数据采集时间一致性由33ms降低到6ms.设计数据混编传输机制及链式DMA结构,实现84路载荷数据100 Hz高频采集与实时下传,满足40ms下传延时要求.通过关键器件抗辐射加固及系统容错机制,提高系统的可靠性.地面测试与在轨运行结果表明:综合电子系统功能正确,稳定可靠,已在轨连续运行5个多月,完成了载荷及各项试验,实时性满足任务需求.

微型反作用飞轮速度估计与控制策略研究

为了满足皮纳卫星、立方星的姿态控制精度要求,提高微型反作用飞轮控制精度,基于开关式霍尔元件,设计测速与控制总体方案,提出一种将变分频T法与带速度切换迟滞环的滑动均值滤波相结合的速度估计方法,提高测速精度,并采用积分分离的离散PID算法防止控制饱和.结果表明:速度控制的最大误差≤1.5%,平均误差≤0.4‰,误差方差≈0.25.2016年6月25日,该飞轮随世界首颗12U立方星"翱翔之星"搭载"长征7号"发射入轨,实现卫星三轴稳定,在轨服役99d直到卫星坠入大气层,圆满完成任务.地面测试与在轨运行结果表明,所采用的方案有效可行,速度估计与控制算法能够满足卫星姿态控制系统的任务需求.

用于光波纳米推力器的颗粒供应技术和光聚积技术研究

为提高光波纳米推力器在轨应用的可行性,针对与其匹配的颗粒供应技术和光聚积技术进行研究。提出整个推进系统的设计思路,通过建立理论计算和数值计算模型,分析颗粒供应技术和光聚积技术的各项核心结构参数的设计方法。计算结果表明:颗粒供应装置的正负电极内径之比(W/D)会影响正负电荷产生的总量之比,在W/D=300/322附近时,正负电荷比例接近1:1。静电诱导电压为9 V,当中和通道长度大于37.5mm时,正负颗粒可以视为完全中和。光聚积设计思路可令聚积球对光能的利用率在32.8%左右。两种相关技术的装置与推力器在结构上能够对接、在性能上可以匹配,从理论上表明了两种支撑技术的可行性。

基于SoC的星载微型GNSS接收机设计

针对皮纳型卫星对星载GNSS接收机小型化、低功耗以及低成本的要求,提出采用片上系统(SoC)技术完成星载微型GNSS接收机的设计。在该设计中,基带信号的捕获、跟踪与定位解算等全部在SoC内完成,具有集成度高与系统灵活性高等优势。将设计的原理样机与国外几款星载微型GNSS接收机性能参数进行对比,结果表明,该星载微型GNSS接收机原理样机重约45 g,尺寸100×60×10 mm,功耗约3 W,兼容处理GPS L1/L2、BDS B1/B2信号能力,可完成双模单频、单模双频、双模双频等多种模式的灵活配置,综合性能要优于现有的几款星载微型GNSS接收机。