CCSDS航天器在轨接口业务标准化工作综述

介绍了CCSDS(空间数据系统咨询委员会)SOIS(航天器在轨接口业务领域)的各工作组工作现状以及开展的标准建议书情况,分析了已经完成的和正在开展的标准化工作,并研究了该领域的体系结构发展、无线通信标准以及即插即用标准的技术内容。

航天器在轨运行状态管控模式建立与实践

针对航天器在轨运行状态变化多、管控难的问题,提出航天器在轨运行状态管控模式,建立在轨运行状态基线,采取"分阶段建基线、过程中管基线"的策略,明确在轨运行状态的管控范围、基线建立阶段和时机、更改控制程序。在轨管理实践表明:该模式的建立对于快速掌握航天器当前在轨运行状态、控制在轨运行状态更改操作风险发挥了重要作用,能保障航天器的在轨安全运行,为用户提供稳定的服务。

一种基于声发射阵列的航天器在轨碰撞与泄漏定位方法

针对现有航天器碎片碰撞和泄漏定位方法难以兼顾高精度和实时性的问题,提出利用二级声传感器阵列检测航天器在轨碰撞与泄漏声发射信号,通过声达时差法对碰撞点进行定位并利用波束形成法对泄漏进行定位。试验结果表明,在1 m^2范围内,碰撞定位相对误差小于2%,直径1 mm以上漏孔的定位相对误差小于10%。

航天器在轨接入互联网技术研究

未来的在轨航天器将会产生越来越多的应用数据,诸如目前在轨飞行多年的国际空间站。为此,十分有必要基于IP协议簇建立一个具有高鲁棒性、高效率的信息传输网络,并设计一种有效的在轨接入机制。依据国际航天测控资源现状和天基测控发展趋势,分析航天器在轨接入互联网的技术难点,基于伪码扩频体制设计导频集管理策略和双向存储转发机制,解决在轨航天器的动态接入与断点续传问题,提出一种在轨航天器动态接入地面互联网方案,并通过仿真对系统工作性能进行初步评估。

多航天器在轨管理模式建立与实践

针对航天器在轨管理工作评价颗粒度粗、技术监视手段不足,以及服务质量和管理效率不能满足用户需求等瓶颈问题,提出了以提炼管理要素为手段、全流程精细化管理为核心的多航天器在轨管理模式,并提出了智能化、多元化、集约化等支持与保障方式。实践结果表明:多航天器在轨管理模式有效提升了在轨管理效能,确保了170余个航天器的在轨稳定运行,提升了航天器运行管理能力及用户满意度。

航天器在轨基线控制系统设计与实现

航天器在轨状态管控是保证其在轨稳定运行的重要支撑;对设计师提出的单机工作状态、软件版本状态、运行模式状态、自主功能状态的管控需求进行研究,设计研制了航天器在轨基线控制系统,通过数据库逻辑分离、分布式部署、数据订阅发布等设计保证了系统的实时性能,实现了航天器飞行状态与基线状态的实时比对,能够帮助设计师快速发现航天器飞行状态异常;同时记录航天器在轨基线变更历史,形成航天器基线变更履历,实现航天器基线状态变更有记录、可追溯;飞行状态的实时监控是对传统遥测监视的有益补充,也为后续遥测监控系统的研制提供了新的思路和参考。

面向航天器大数据安全传输的发布/订阅系统设计

针对航天器试验任务过程监控的在轨故障诊断状态检测、健康状态评估与航天器寿命预测等多个环节中,海量试验数据在传输、共享、处理、分析、存储等过程中面临的巨大压力,构建面向航天器多源异构数据管理的分布式大数据发布/订阅系统(big-data publish/subscribe system,BPSS)框架。借助大数据与云平台技术,设计了一套航天器海量在轨试验数据传输、管理与缓存方案,对云节点实现主从调控与弹性扩容,并通过基于消息一致性的动态选举算法完成大规模发布/订阅任务,保证数据传输的安全性、一致性与计算效率,具备大数据订阅响应迅速、多源异构数据高吞吐稳定性、分布式组件部署灵活等优点。实地航天器数管实验结果表明,BPSS数据订阅的平均响应时延为0.05 s/GB,同时在单日吞吐量达到85 GB量级时,数据丢帧率控制在0.025%、数据破损率控制在0.018%,与其他开源的发布/订阅系统相比具备一定竞争力。

在轨航天器智能维修保障链评价指标体系构建

为适应在轨航天器空间布局多层、维修保障技术要求高、维修链路易毁伤难恢复等特点,区分地面、低轨道、高轨道和深空四层空间高度,构建了“前端维修节点—中继维修平台—后端维修基地”三层级多节点在轨航天器智能维修保障链模型。分析了智能维修保障链评价指标体系选择要求,从敏捷性、柔性、韧性、可持续性、经济性和智能化水平6个方面,设计了一组基于目标导向的在轨航天器智能维修保障链评价指标体系,为评价与监控智能维修保障链的构建效果提供了评价标准。

对失控航天器在轨服务的自适应滑模控制器设计

为实现对自由翻滚的失控目标航天器进行在轨服务,基于二阶滑模控制算法设计了相对位置与姿态耦合的自适应控制器。考虑相对转动对相对平动的耦合作用,建立了两航天器对接端口间相对位置与姿态耦合的动力学模型,并在此基础上设计了自适应Super twisting控制器,以减弱已知界限的有界干扰所产生的震颤效应,使闭环系统在有限时间内收敛到平衡点。利用李雅普诺夫方法证明了有界干扰下的闭环系统稳定性,并对收敛时间的上界进行了估计。仿真结果表明,与Super twisting算法相比,所设计的自适应二阶滑模控制器对参数不确定性及线性增长有界干扰具有较强的鲁棒性,且控制精度满足在轨服务的任务需求。

利用在轨航天器扰动响应辨识其动力学参数的研究

从结构模态参数的可识别性出发,结合时域频域参数识别技术和数字处理技术,开发出航天器动力学特征参数在轨辨识系统,系统包括硬件和软件。在此基础上设计了模拟在轨航天器的试验验证系统,以检验辨识算法和设计软件的可靠性以及航天器在轨辨识的实时性,该试验系统包括一个对称的双梁结构,利用对称结构的弱耦合可得到多个密集模态。试验和模拟数字考核结果表明系统辨识算法可靠,精度可以到达设计要求。

在轨航天器动力学参数辨识技术研究

针对在轨航天器低频密集和辨识时激励源有限且难于测量等特点,开展了适用于低频密集模态且不需激励信息的在轨航天器动力学参数辨识方法的研究,探讨了直接利用在轨响应数据在频域内辨识航天器动力学参数的技术;并根据在轨航天器低频密集特点,设计了在轨航天器动力学参数辨识仿真试验系统,对该辨识方法进行了试验验证。

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.

基于TSEOPM的在轨航天器故障预报方法研究

针对在轨航天器非线性系统的故障预报,提出一种基于时间序列事件征兆模式挖掘的在轨航天器故障预报方法,该方法以在轨航天器遥测数据建立状态监测时间序列,根据事件特征函数利用层次聚类算法挖掘出故障事件征兆模式,然后利用故障事件征兆模式对航天器的状态监测时间序列数据进行分析,判断是否为故障征兆点,从而实现故障预报;实验结果表明,该方法能有效地预测在轨航天器状态监测时间序列数据中的故障事件。

在轨航天器撞击解体特性分析与计算

对在轨航天器撞击解体问题进行了研究,基于NASA标准解体模型,给出了在轨航天器撞击解体算法,重点分析了解体计算时应该满足的几个约束条件.编写了该算法的通用仿真计算程序,并通过与P-78卫星解体事件的实测数据比较验证了算法和程序的正确性.研究结果对预测分析在轨撞击事件的毁伤特性具有重要的参考价值.

国外无人在轨服务和模块化可重构航天器发展分析

概述了无人在轨服务航天器和模块化可重构航天器的内涵和背景;梳理了各国重点在轨服务项目概况和最新进展;分析了美国服务保障航天器处于在轨验证阶段,欧洲太空碎片移除技术率先开展在轨验证等无人在轨服务航天器发展现状;阐述了美国和欧洲分别开展和即将开展关键技术在轨验证等模块化可重构航天器发展现状;总结了在轨服务航天器和模块化可重构航天器有望变革航天器设计、制造、部署和运用方式,增强航天系统抗毁性等对航天器和航天能力发展的影响。

微重力环境下在轨航天器温度遥校准地面仿真系统的建立

针对空间微重力环境下温度遥校准系统 ,本文提出建立基于公用电话网 (PSTN) ,利用Winsock编程接口实现测量现场与遥校准实验室的远程网络通信以及温度数据实时传送。

在轨航天器快速转移区域仿真研究

研究了在轨航天器快速转移区域的求解问题,针对目前研究缺少对相关区域进行系统的定义和算法复杂的问题,定义了追踪区和遭遇区的概念,研究了在时间和燃耗约束下求解追踪器和目标器交会时追踪区、遭遇区的一种简单可行方法,利用全局搜索算法实现了以上区域的确定,并进一步对比了在不同约束下,追踪区和遭遇区的分布特点,并利用遗传算法对上述区域优化求解。数值仿真结果表明提出的方法可以快速、准确地确定空间快速转移任务中追踪区、遭遇区,并可用于评估快速转移任务的可行性、执行时机、能量最大消耗等指标,为快速转移轨道选择和设计提供依据。

在轨航天器非线性姿态控制系统稳态特性研究

在轨航天器执行机构一般具有典型的非线性特性,直接影响飞行姿态控制性能。基于姿态控制系统模型,应用相平面分析方法,建立含继电器和时延两类非线性特性的执行机构开关线模型。以开关线模型为基础,根据相轨迹图求解极限环参数,获得姿态控制的稳态特性。仿真结果表明非线性姿态控制系统特性的计算模型和方法正确、有效。

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。

航天器专家故障知识模型的建立和应用

随着我国航天事业的不断进步和国际业务的拓展,在轨航天器的数量逐年增加,航天器长期有效的管理对保障航天器长寿命运行具有十分重要的意义。传统的地面监测人员对航天器的监视已经不能满足要求。本文介绍了一种多航天器专家故障知识模型的建立方法,简要说明了基于这种模型的应用可以增加航天器在轨管理的智能化,提高工作效率。