基于IRIG-B码的运载火箭测发流程同步的软件设计方法

为保证运载火箭在零窗口发射,提出了一种基于IRIG-B码(以下简称B码) 的运载火箭测发流程自动执行的软件设计方法,以确保点火前10min至点火之间的各系统流程的同步。本方案通过UDP网络接收B码的时间,并通过五取三冗余算法,以更新本地的B码时间。随后,再根据预设的点火时间及冗余后的B码时间,计算倒计时,以控制口令流程自动执行。     

一种闭环冗余系统可重构控制方法

提出一种闭环冗余系统在线可重构控制方法,包括控制器、控制分配和故障诊断.在故障诊断算法中,首先采用有向图方法快速确定可能的故障源.对于难以隔离的故障,提出了一种在线故障定位方法.故障定位后,通过控制分配,重新分配控制律.以航天器冗余动量轮系统的故障重构为例,说明了如何在系统级角度在线定位故障,重构系统.最后,给出了冗余动量轮卫星姿态调节过程中故障重构的仿真算例.     

基于可靠性分析的最优冗余配置数量确定方法

针对基于传感器级冗余的捷联惯性导航系统中陀螺仪的冗余配置问题,设计了一种确定最优冗余配置陀螺仪数量的方法,综合考虑了系统的可靠性和成本代价.在各陀螺仪故障的发生为相互独立的前提下,以可靠性函数为工具,提出了确定最优冗余配置数量的性能指标.以该性能指标为依据,分析了斜置冗余配置的陀螺仪数量改变时该指标值的变化情况.结果表明:确定最优冗余配置数量的性能指标的值最大时,所对应的最优斜置冗余配置陀螺仪数量为6.     

四模冗余拜占庭容错计算机可靠性分析

为确保载人航天器的安全可靠,载人航天器控制计算机一般需具备拜占庭故障恢复的能力.采用马尔可夫链分析四模冗余拜占庭容错计算机几种可能容错方案的可靠性,可以看出系统采用何种容错方案取决于系统停机失效概率和不安全失效概率之间的关系.该方法可以为四模冗余拜占庭容错计算机设计提供参考.     

容错计算机可靠性分析与计算

本文对用于新机主动控制技术ACT电/光传飞行操纵系统的一种采用三冗余加一备份方案的容错计算机配置作了一般性介绍;并对其系统可靠性进行了分析与计算。包括,可靠度R(t)、失效率λ(t)及平均寿命MTTF的数学模型建立与数值估算;并应用网络分析法进行了验证,估算出故障覆盖率对系统可靠度的影响。最后,对软件可靠性问题作了一般性讨论。     

空间计算机冗余架构可靠性分析比较

采用冗余架构,是改善和提升空间计算机可靠性的一个重要途径。目前在工程中对不同架构可靠性的对比,尤其是相对复杂的架构,多仅限于形式上的粗略分析,缺乏定量比较。对6种典型空间计算机冗余架构(双机冷备、双机热备、TMR、动态重构TMR、2+1三机、四机)分别建立马尔可夫链数学模型,推导出上述各冗余架构可靠度的计算公式,并以一个虚拟的5年期任务为背景,对这些架构的可靠度进行了仿真计算、分析和比较。仿真结果表明:具有冷备资源的冗余方案可获得相对高的系统可靠性;让故障节点具有从故障中恢复正常功能的能力和短的修复时间,能大幅提升系统可靠性。     

高可靠三余度数字式作动器控制器设计与实现

对作动器控制器进行了三余度配置,介绍了冗余作动器控制器的结构、余度配置以及余度管理.结合数字式伺服作动系统的结构特点,提出了一种借助通道内控制器互监测实现通道内自监测的方法.借助比较监控、传感器自监控、通道内自监控等其它监控方法,对三余度数字式系统有效地实现了二次故障工作、三次故障安全.和其他冗余方案相比结构更简单、基本可靠性更高.基于高速数字处理器和CAN(Controller Area Network)总线开发了三余度数字式伺服作动器控制器.基于马尔可夫模型,考虑系统一次故障覆盖率、二次故障覆盖率对控制器可靠性进行了分析,该三余度控制器具有很高的可靠性.      

冗余飞轮姿控系统控制分配与重构研究

针对具有多冗余执行机构的航天器姿态控制系统,给出了处理冗余的控制分配方案,该方案考虑了幅值和速度约束条件并实现了二次最优．仿真验证了分配环节的有效性,并比较了不同求解算法下的动态分配效果．针对执行机构可能出现的故障,提出了结合故障诊断与隔离系统的执行环节控制重构方法,实现了机构故障下的容错控制,通过卫星姿态跟踪控制仿真,验证了分配和重构环节与控制回路的相容性．     

可消除定位模糊的无源时差定位算法

消除无源时差定位系统中存在的定位模糊是一直倍受关注的问题.通过理论分析和仿真实验证明,4变量算法虽可以消除定位模糊但其定位精度不高,不适合工程应用.以传统时差定位方法为基础,提出了一种多个子系统融合的定位算法.由于该算法能够充分利用观测站提供的冗余测量信息,所以其定位精度高于4变量算法,而且还可以消除定位模糊.最后,通过仿真实验验证了该方法的可行性和有效性.     

基于键合图模型的传感器布局方法

为研究传感器布局对于故障诊断性能的影响,使用键合图方法对系统建模。通过在键合图模型中设置虚拟传感器模拟测点,利用键合图的结构信息和因果关系约束推导出一组解析冗余关系式,即系统残差,通过分析残差、故障及传感器配置的关系,提出了一种基于满足故障检测性和隔离性要求的传感器布局方法,在最大限度满足系统诊断性能前提下选择数量最少的传感器配置方案。最后,以同步发电机为例建立键合图传感器布局模型,通过残差推导其结构故障特征矩阵以及传感器特征矩阵,并对所提出的传感器优化布局方法进行验证,得出在参数性故障检测和隔离性能最高前提下的传感器配置方案。      

Contact-free release dynamics of tens of stacked satellites with multiaxial rotations

Stacked satellites have a promising application in aerospace engineering for the merits of high launch efficiency and networking capability. As one of the key technical points, releasing tens or even hundreds of satellites from the stacked state in a simple and contact-free manner is of importance. In this paper, the contact-free release dynamics of tens of stacked satellites is studied with only the initial multiaxial rotations of the system. First of all, a rigid multibody dynamic model of the stacked satellite system is established via the natural coordinate formulation (NCF). The NCF modeling scheme is able to describe the large overall motions of the satellites without any singularity and makes it possible to simplify the varying constraints between the satellites. Then, the orbital dynamics of the stacked satellite system is derived via coordinate transformation by taking the Coriolis forces, centrifugal forces, and gravity gradient into consideration. In order to rapidly and accurately detect the possible contact between satellites, a convex optimization model for minimum distance computation is proposed by using a hyperelliptic approximation for a cubic satellite. Finally, a benchmark example is given to validate the contact detection algorithm and three release dynamic cases for the stacked satellites are presented to demonstrate the effectiveness of the contact-free releasing approach with multiaxial rotations.     

挠性卫星高精度智能控制及物理仿真实验研究

从工程角度出发,以具有挠性太阳翼的卫星为背景,着重研究了挠性卫星的智能控制方案。针对高精度控制这一要求,设计了双层小脑模型神经网络(CMAC)与变结构(VSC)复合智能控制器,并基于单轴气浮台全物理仿真系统进行了实验,取得了较高的姿态控制精度,表明了智能控制方法的有效性。     

基于包应用标准的紫外极光成像仪通信控制系统的设计与实现

在中国传统航天器中，通信系统格式通常各不相同。随着载荷越来越复杂，通信系统的格式往往需要重建，而且由于缺乏灵活性，会产生许多限制。对于SMILE卫星中的紫外极光成像仪（UVI）工程任务, 为与国际对接，提高数据处理的效率，设计实现了基于遥控遥测包应用标准（PUS）的通信与控制系统，根据通信与控制系统的构成及工作原理，PUS业务的选择和实现，对通信功能进行设计，按照PUS标准完成遥测遥控功能，并基于PUS业务提出故障诊断和处理方法。通过对系统进行集成测试，结果表明电控箱通信与控制系统工作稳定，能够完成指令处理、科学数据接收存储、故障诊断以及多种数据包发送，满足任务需求。      

宇航立式硬支承动平衡机特大型精密轴系

本文就精密轴系的特点和可靠性做了扼要分析。采用具有双排节流器的对置轴承,使刚度成倍提高,以满足新型立式硬支承动平衡机噪声小、转速低、支撑系统力矩刚度大的特殊要求。使质量特性参数严格地限制在某个测试精度范围内。     

A universal on-orbit servicing system used in the geostationary orbit

The geostationary orbit (GEO), a unique satellite orbit of the human beings, is a very precious orbit resource. However, the continuous increasing of GEO debris makes the GEO orbit more and more crowded. Moreover, the failures of GEO spacecrafts will result in large economic cost and other bad impacts. In this paper, we proposed a space robotic servicing system, and developed key pose (position and orientation) measurement and control algorithm. Firstly, the necessity of orbit service in GEO was analyzed. Then, a servicing concept for GEO non-cooperative targets was presented and a universal space robotic servicing system was designed. The system has a 2-DOF docking mechanism, a 7-DOF redundant manipulator and a set of stereo vision, in addition to the traditional subsystems of a spacecraft. This system can serve most existing satellites in GEO, not requiring specially designed objects for grappling and measuring on the target. The servicing contents include: (a) visual inspecting; (b) target tracking, approaching and docking; (c) ORUs (Orbital Replacement Units) replacement; (d) Malfunctioned mechanism deploying; (e) satellites life extension by taking over its control, or re-orbiting the abandoned satellites. As an example, the servicing mission of a malfunctioned GEO satellite with three severe mechanical failures was designed and simulated. The results showed the validity and flexibility of the proposed system.     

基于改进MOPSO算法的区域侦察弹性星座重构方法

针对区域侦察弹性星座重构问题,提出了基于改进多目标粒子群优化算法(multi objective particle swarm optimization,MOPSO)的区域侦察弹性星座重构方法。该方法采用一箭多星发射和在轨卫星相位机动相结合的方式对受损星座重构。首先选取了星座覆盖、重构成本、重构时间和星座弹性四方面的指标;其次对一箭多星发射过程和卫星相位机动过程进行了分析,对失效轨道面内剩余正常卫星采取均匀相位的策略。以恢复原有星座性能为目的,考虑最大重访时间、重构成本、重构时间及弹性,建立了重构时间和重构成本最优的重构优化模型。最后对MOPSO算法进行了改进,提出了基于学习机制的种群更新策略,通过变量转化将离散变量转化为连续变量,解决了重构优化模型中混合变量优化问题。针对某一受损星座进行仿真,重构时间最优的重构方案为发射6颗新卫星结合在轨卫星均匀相位;重构成本最优的重构方案为发射4颗新卫星结合在轨卫星均匀相位。案例表明提出的重构方法有效,可为侦察星座的建设提供参考。     

用于识别两颗故障卫星的RAIM算法

提出了一种可以识别两颗故障卫星的接收机自主完好性监测算法.将最优奇偶矢量法应用于两颗故障卫星识别,指出由于故障偏差可能会抵消而使得正确识别率较低.对最优奇偶矢量法进行了改进,利用对单颗卫星故障敏感的最优奇偶矢量对所有可能的两颗故障卫星组合分别构造两个新的奇偶矢量,用于两颗故障卫星的检测和识别.计算机仿真结果显示,改进后的算法与直接利用最优奇偶矢量法相比,可以显著提高两颗故障卫星正确识别率,识别率可超过90%.同时,改进算法的奇偶矢量构造方法简单,计算量将减少90%以上,更有利于工程实现.      

冗余直接驱动伺服作动系统建模与特性分析

为了提高数字式直接驱动伺服作动系统的可靠性,对系统进行了余度配置,电气部分采取三余度,机械部分采取二余度,设计了伺服作动系统的余度配置和管理方案.对系统的机理进行了深入研究,建立了二余度阀控液压缸、三余度直流无刷电动机等系统各部分的数学模型,分析了余度配置对系统的可靠性和动静态性能的影响.基于Matlab的仿真平台Simulink对冗余伺服作动系统进行了仿真分析.结果表明,系统在电气二次故障、机械一次故障的情况下仍保持较好的动态特性,系统的余度配置和管理方案使系统可靠性得到提高,动静态性能得到改善,为冗余直接驱动式伺服作动系统的研制提供了理论依据.      

低轨航天器天基测控方法研究

我国的航天器测控主要依赖地基测控系统实施,随着民用和军用需求的不断增加,太空运行的低轨航天器数量越来越多.仅依赖地基测控系统满足这些航天器的测控需求越来越困难,费用也越来越高.探索新的、有效且经济的测控模式势在必行.天基测控技术是航天器测控发展的方向,研究和应用天基测控技术具有重要的实用价值,可以解决困扰我国航天领域多年的测控资源紧张问题.在分析美国NASA数据与中继卫星系统相关技术的基础上,提出了我国低轨航天器天地基测控模式,讨论了该模式的运行原理,设计了该模式的仿真系统,分析了应用该模式需解决的关键技术问题,通过基于设计的仿真系统对提出的测控模式进行了验证.验证结果表明了提出的天地基测控模式可行,可以满足低轨航天器的测控需求.      

Guidepost-based autonomous orbit determination method for GEO satellite

Guidepost-based navigation system is a novel autonomous orbit determination method for the GEO satellite. The system is achieved by using the camera imaging function to obtain the guidepost images and the GNSS signal receiver to obtain the pseudoranges between the GEO and the navigation satellites. Due to the high altitude of GEO satellite and the time-varying sunlight condition in the space environment, it may be difficult to obtain object image points and the distance measurements of GNSS because of the weak visibility of the guideposts. To deal with the problem, a novel integrated orbit determination system is presented. The Earth landmarks, the in-orbit spacecraft and GNSS navigation satellites whose line-of-sights and the distance can be easily obtained are used at the same time as information for the GEO satellite navigation based on the observability conditions analysis. The observability of the GEO satellite navigation system is analyzed through the physical observability, the mathematical observability and the engineering observability through the observing geometry, the rank of observability matrix and the Cramer-Rao lower bound (CRLB) respectively. Besides, the maximum correntropy unscented Kalman filter (MCUKF) algorithm is applied to improve the estimation stability of the system in the presence of non-Gaussian noises. The simulation indicates the feasibility of the proposed scheme.