基于CCSDS-SOIS的航天器数据管理系统体系架构的探讨

为解决航天器数据管理系统体系架构中,由于接口方式和协议不一致以及设计的多样化,导致难以沟通和重用的问题,CCSDS(The Consultative Committee for Space Data Systems)的SOIS(Space Onboard Interface Services)工作组提出了体系架构,并制定了相应的业务推荐标准文本.结合SOIS架构,概括介绍了ESA(European Space Agency)提出的SAVOIR(Space Avionics Open Interface aRchitecture)架构,NASA(National Aeronautics and Space Administration)提出的cFE/cFS架构,以及我国对SOIS的跟踪研究情况,并对这几个架构进行了比较和分析.这几个架构的共同点在于对层次化、模块化、接口标准化和模型化的重用特征在认识上是一致的,但是在具体设计上由于各自的背景不同而不尽相同.另一个共同的认识是将电子数据单(Electronic Data Sheet,EDS)作为架构的设计重点之一,为此对数据设计的两个主要概念,管理信息库(Management Information Base,MIB)和EDS之间的关系和设计思路进行了分析说明.最后展望了空间数据系统体系架构的一些发展趋势,认为基于EDS和MIB的数据设计将成为主要研究内容之一,并且SOIS架构的实践应结合自身的特点来开展.

科学实验卫星高速上行链路设计

为保障在卫星与地面之间开展空间量子科学实验的条件,必须为科学实验载荷建立一条星—地高速数据双向传输链路。通过跟踪CCSDS-SLS-NGU(空间数据系统咨询委员会-空间链路业务-下一代上行链路)工作组对NGU的研究进展,结合科学实验卫星有效载荷建立高速上行链路的需求,采用高带宽利用率调制技术、高效信道编码方式及适用的链路数据传输协议,设计了一种传输速率为1Mbit/s、误码率优于1×10-9的高速上行链路方案,并给出星载设备实现方案和地面初步测试结果。该方案在技术体制上兼容已有CCSDS规范,便于地面站及星载接收机实现,完全满足开展空间量子科学实验的需要。

量子科学实验卫星射频信道物理层设计

量子科学卫星有效载荷激光链路需要有一条上下行射频高速通信链路作为激光链路的量子秘钥分发途径.构建了量子科学卫星上下行射频链路的物理层硬件和算法,该链路采用符合CCSDS频谱规范的SRRCOQPSK作为上行调制类型,上行速率达到1.024 Mbit·s^(-1),下行采用SRRC-OQPSK和GMSK调制,速率达到4 Mbit·s^(-1).经过与多个地面站的对接试验测试,结果表明数传通信机的载波捕获灵敏度优于-100 dBm,数据解调灵敏度优于-98 dBm,AGC(自动增益控制)能力大于43 dB,在-96 dBm接收信号电平条件下的实际传输误码率优于1×10^(-9).在轨试验验证证明,射频信道物理层设计方案满足量子科学实验任务要求.

一种FPGA实现的复杂背景红外小目标检测网络

红外(IR)小目标检测算法具有检测率高、虚警率低、实时性好等优点在红外遥感领域有重要的应用价值。由于复杂背景下小目标对比度低和信噪比(SNR)低,传统红外小目标检测算法难以保证检测性能。在强鲁棒性的红外小目标检测网络(RISTDnet)基础上,面向更为多样的目标结构特征和更高的实时处理性能要求,提出一种增强型红外小目标检测网络(EISTDnet)与其基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)高性能并行处理的算法。EISTDnet构造了手工特征算法与卷积神经网络相结合的多尺度小目标特征提取框架,采用多级展开思路对卷积核尺寸进行归一化设计,并通过数据深度复用和多维循环并行展开有效提高推理阶段实时处理性能。实验结果表明:采用单片FPGA实现的EISTDnet能够快速实时检测复杂背景下不同大小、低信噪比的小目标,与现有5种算法相比在10^(-3)低虚警率下平均检测率提升49.5%,与RISTDnet相比,在实时处理速度提高1.33倍的优势下,对低信噪比条状小目标检测率提升29.4%,所提算法具有更好的有效性和鲁棒性。

基于PSD的高精度太阳敏感器电子学系统设计

针对目前国内太阳观测成像仪器稳像系统的需要,提出了一种基于位置敏感探测器(PSD)的高精度太阳敏感器电子学系统的设计,有针对性地提出了提高灵敏度的设计方案和降低系统噪声的具体措施。该系统噪声水平低于4 n A,在工作范围中心区域具备了0.3″的高分辨能力,可以配合偏摆镜结构组成稳像系统,服务于夸父和SPORT计划等具有高分辨率成像需求的太阳成像仪器。

融合轨道动力学的小行星探测器自主视觉定位

针对小行星探测器高精度自主视觉定位问题,提出了一种融合轨道动力学的深空探测器自主视觉定位方法,能修正视觉视觉定位与地图构建算法(simultaneous localization and mapping,SLAM)的定位误差。该方法通过融合轨道动力学的轨道改进技术,能够在缺乏表面先验信息、无人工手动标记的场景下,实现探测器的高精度视觉导航,并建立小行星表面稠密三维模型。首先,基于视觉同时定位和建图方法(VSLAM)提取小行星表面特征,通过因子图优化算法估计探测器位姿,设计回环检测提高定位精度;其次,重构行星表面三维模型,实现基于多面体法的行星不规则引力场建模;最后,提出了一种基于轨道动力学的伪相对运动轨道优化算法,将其作为物理约束修正视觉定位累积误差,分析反演视觉初始定轨误差在轨道动力学中的传播过程,实现修正视觉定位累积误差,改善初始定位结果。仿真实验结果表明,融合轨道动力学可以有效提升小行星探测视觉定位的精度,从而实现高精度导航,为深空探测技术的未来发展提供参考借鉴。

基于PSD的静电悬浮液滴振荡技术在表面张力与黏度测量中的应用

位置敏感探测器PSD(position sensitive detector)具有成本低、响应速度快、探测灵敏度高的特点,文中结合一维PSD和静电悬浮技术,提出一种新的悬浮液滴振荡测量的方法,可以高精度地测量高温熔融材料的表面张力和黏度系数。稳定悬浮的样品通过半导体激光器加热到熔融状态后,在位置控制信号上叠加一段频率和幅值可调的正弦振荡信号,利用一维PSD采集稳态振荡后的衰减信号,通过频谱分析和指数函数拟合得到样品的共振频率和衰减时间。利用纯金属锆进行熔融液滴振荡测量的实验,计算得到液态金属锆的表面张力和黏度系数,验证了该测量方法的有效性。

星载固态存储系统自适应闪存转换层设计

传统星载存储系统闪存转换层(Flash Translation Layer,FTL)算法采用页级FTL映射方案和固定分区的文件管理策略,存在主机占用率高、系统响应时间长以及没有充分考虑FLASH磨损均衡等问题.为此,对传统星载存储系统方案和星载固态存储系统的工作原理深入分析研究,结合实际型号任务需求,提出了一种数据驱动的自适应I级块闪存转换层算法(Data-driven Adaptive Superblock FTL,DASFTL).DASFTL算法采用自适应|级块的分级地址映射方案,其中|级块映射表(Super block Mapping Table,SMT)作为一级映射,页地址映射表(Page Mapping Table,PMT)作为二级映射,以提高系统的响应速度;将I级块作为FLASH地址管理的最小单元,以减少存储系统对主机的依赖;引入动态块回收权重作为I级块分组和目标回收块选择的标准,以均衡FLASH芯片内各物理块的磨损程度,延长其使用寿命.搭建硬件测试平台对DASFTL算法进行验证,实验结果表明,提出的数据驱动的自适应I级块闪存转换层算法相比于传统星载FTL算法在主机占用率和系统响应速度上分别有51.7%、46.1%的提升.长时间工作下FLASH芯片内部各物理块的擦除次数更加均衡,有效避免部分物理块过早磨损,提升FLASH用.

大气散射衰减定标系统设计

观测高能宇宙射线可通过大气荧光探测技术对次级粒子的研究间接实现,而次级粒子在大气传输中受到大气吸收、散射等影响,会影响探测的准确性。为定性定量地确定上述影响,设计了大气散射衰减定标系统,利用已知脉冲能量的激光器向指定方向发射激光脉冲,通过在地面上另外一点测量散射激光的能量,就可以对大气散射的参数进行标定,从而对次级粒子的能量及方向进行修正。此外通过散射通信中常用的非视距单次散射模型研究了大气传输过程中的散射衰减作用,得到不同角度下的计算仿真结果,为大气散射衰减定标提供了理论依据。

基于图像测量技术的双波长测温仪在线校准方法

红外测温的方法具有非接触、能够测量极高温度的特点,但其测温精度易受材料自身和环境的影响,针对静电悬浮材料实验装置中双波长测温仪温度测量存在偏差的问题,设计了一种基于图像测量技术的在线校准方法。采用CCD相机获取测温样品的图像,通过边缘提取拟合计算样品体积随温度的变化,与材料自身实际的热膨胀系数对比,修正双波长测温仪的发射率比值。通过对纯金属锆的实验,比对校准后测量的熔点温度,验证了该在线校准方法。

基于遥测数据相关性的航天器异常检测

基于信息技术进行星载设备的异常检测始终是空间任务安全性、可靠性领域最重要的主题。传统航天器异常检测方法的知识和模型很难自动化构建,而纯数据驱动方法会忽略系统设计知识和遥测数据本身的特性,造成先验知识的浪费。针对这些问题,提出一种基于遥测数据相关性的航天器异常检测方法。首先,给出遥测数据相关性的定义,结合量子卫星任务实例,对单维度遥测数据的6种领域相关性进行建模和向量表示;随后,提出一种遥测数据驱动进行相关性知识发现、进而将知识应用于异常检测的方法;最后,利用量子卫星数据、基于真实故障特征的模拟数据对该方法进行了验证。实验与分析结果表明：该方法能够实现航天器异常检测知识构建的自动化,且可以有效检测出遥测数据的异常。

基于PSD的静电悬浮位置测量与控制系统设计

建立了基于位置敏感探测器(PSD)的静电悬浮三维位置信息测量与控制系统,分析了PSD的结构与静电悬浮位置测量与控制原理。系统采用单片机STC12C5A60S2处理PSD输出信号,得出悬浮样品位置信息与PSD输出电压的对应关系,实现单片机与上位机的通信,对测量的位置数据进行分析、处理以及悬浮样品位置控制。利用锆材料进行悬浮实验,实验结果表明:建立的测量系统能实现样品位置信息的非接触测量与稳定悬浮,具有测量数据可靠,运行稳定等优点,为材料悬浮加热和深过冷研究奠定了基础。

深空撞击载荷总体技术分析与效能仿真

以近地小行星2016HO3为深空撞击目标开展科学探测,从爆炸成型弹丸技术、安全可靠爆炸技术、撞击载荷分离技术、撞击效能仿真技术等7个方面系统详细地进行了基于聚能爆炸成型弹丸的撞击载荷技术体系解析与技术内涵阐述,给出了深空撞击载荷初步总体设计方案;通过弹丸撞击靶板的数值模拟仿真,得到了撞击速度在0.2~0.4 cm/μs变化范围下产生32~47 cm大小的撞击坑坑径结果,得出了撞击坑直径随弹丸不同撞击速度、靶材不同密度、不同强度和不同厚度的变化规律,为撞击载荷总体优化设计提供了撞击效能仿真技术支撑。

基于DTN的复杂深空通信网络拓扑分析

针对当前延迟/中断容忍网络研究中复杂深空通信场景下网络评估的不足,提出了一种复杂深空通信网络评价方法。方法以网络性能及服务能力为评价指标,对中科院空间中心新提出的复杂深空通信网络——通用行星际通信网络进行网络拓扑分析。先从网络可通信时间、通信容量和网络时延等方面分析得出综合性能最优的网络拓扑,再从网络通信容量和中继节点存储器容量等方面分析网络的服务能力,结果表明上述网络能够满足"好奇号"火星探测的任务需求,证实了复杂深空通信网络评价方法的有效性,为以复杂网络为场景的延迟/中断容忍网络研究提供了网络评估依据。

基于C8051F005的均匀轴向亚磁场产生和测量系统

根据亚磁场生物学实验要求,利用Silicon Labs的C8051F005微处理器设计了一种轴向亚磁场产生和测量系统。基于亥姆霍兹线圈产生磁场的基本原理设计了一种新的磁场产生结构,采用MAX038产生交变磁场的硬件电路,使用磁阻磁强计对磁场进行精确测量,用VC6.0设计了上位机软件,图形化显示从磁阻磁强计传输过来的数据。实测表明,新结构产生磁场的均匀性要比亥姆霍兹线圈产生的磁场均匀性好,磁场均匀范围宽。亚磁场随电流的变化呈线性变化,具有很好的可控性,可通过简单设置控制交流磁场的频率。

一种FPGA实现的序列图像目标多维特征实时提取方法

目标区域多维特征的建模表征是实现目标跟踪搜索的前提。传统的特征提取方法通常先连通出目标区域,再计算目标特征,实时性不强。提出了一种基于像素的连通域标记及目标特征同步计算方法,建立特征传递机制,利用标号映射表关联标号表与特征属性表,并在区域邻接时进行标号合并和特征属性同步传递计算,保证了目标区域连通完成即可输出目标区域特征。给出一种基于FPGA硬件设计的实现方案。仿真测试结果显示,此方法具有以下几方面优势:连通域标记耗时少,仅为(L×W+2n/m)×T_(clk),接近理论最小值(L×W)×T_(clk);利用循环缓存区存储图像,资源消耗小;标记与计算并行处理,提升了检测跟踪效率;多目标特征经测试验证结果准确,可有效支持后续的目标跟踪检测;具有理论与实用价值。

星际探测太阳帆行星和太阳借力轨道全局优化

以太阳帆在20年内飞行至距离太阳200 AU以远进行星际探测为目标,研究太阳帆通过行星借力和太阳借力的轨道全局优化问题。建立太阳帆时间最优转移轨道数学模型,分析行星借力和太阳借力的约束条件,并用这些约束条件构造目标函数,从而将轨道优化的四点边值问题转化为求解无约束条件下的多变量优化问题。通过选取合理的约束权重,采用遗传算法获得大范围的粗略解,代入到序列二次规划算法中获得高精度解。仿真结果表明,虽然太阳帆通过太阳借力已获得相当大的加速度,但加上木星借力仍然可以节省相当多的飞行时间。提出的轨道优化思路,可以为太阳系逃逸任务轨道初步设计提供参考。

基于坐标系转换与QTM编码的天球面探测覆盖栅格化分析方法研究

提出一种基于坐标系转换与QTM编码的天球面探测覆盖栅格化分析方法,并对其计算精度和效率进行了实验分析,相比传统算法和经纬网格编码方法,该方法具有明显的效率和精度优势,能够满足以天球面为探测目标的空间科学卫星有效载荷探测覆盖分析和任务规划的需要.

空间物理过程时空协同探测的覆盖分析方法研究

针对空间物理过程时空协同探测任务的定量化探测覆盖分析需求,在采用时空相关函数方法描述和分析空间物理时空过程的基础上,提出一种基于θ-t_R覆盖图的探测覆盖分析方法.通过分析不同设计方案在一定累计时间周期内的θ-t_R覆盖图,根据其覆盖范围的不同选择所需要的设计方案.采用该方法对两条共轨道面椭圆轨道的时空协同探测过程进行了定量的覆盖分析,验证了该方法的有效性.

一种星载NAND FLASH板级功能快速验证设计

传统板级硬件功能验证方法使用示波器或逻辑分析仪对引出管脚进行测试,灵活性差,不适用于星载大容量NAND FLASH存储阵列。提出一种通过FPGA控制NAND FLASH复位和读ID操作,并自动遍历所有存储芯片的方法,配合Chip Scope Pro工具在线仿真,实现星载NAND FLASH板级功能快速验证。实验结果表明,该方法简单有效,并可根据仿真验证结果快速做出板级功能有效性判断。