航天器百千瓦级分布式可重构电源系统设计

随着大功率通信卫星、高分辨率SAR卫星、大功率电推进航天器、核动力航天器、大型在轨服务站等对超大功率能源系统需求不断增强,100 kW超大功率电源系统成为未来大功率航天器电源系统的发展趋势。文章结合航天器电源系统研究基础,对100 kW电源系统的高压、大功率、分布式的任务特点进行分析,设计一种分布式可重构电源系统,提出了系统拓扑架构和相应的控制策略,并对高压大功率变换控制技术、多通道能源管理技术、高压大功率元器件技术和系统可靠性、安全性技术进行研究。对文章提出的电源系统进行软件建模和仿真,结果表明:100 kW电源系统拓扑架构和管理控制策略合理可行,系统稳定性较好,鲁棒性强,可为后续大功率航天器电源系统研究和设计提供参考。     

空间站电源系统信息管理软件重构方案

针对空间站电源系统内部多个单机与其他系统进行多总线通信,实现系统内外之间数据交换的复杂信息管理需求,同时考虑到软件的可靠性和继承性,设计采用架构重构和代码重构的空间站电源系统信息管理软件,具有多任务处理实时性高的特征,能实现传统电源下位机软件代码复用,提高代码复用率。另外,通过设计基于多级静态优先级的任务调度模块,实现多总线数据流的合理通信和多任务的有效处理。文章提出的软件重构方案在空间站电源系统信息管理软件中进行应用,实现了38.47%的软件代码复用率,实时性任务的响应率提高了44.48%,可有效满足空间站电源系统的信息管理任务需求。     

航天器分布式系统仿真验证平台设计与实现

文章分析了航天器分布式系统仿真平台的特点和需求,根据分布式集成仿真平台多操作系统、混合架构、分布式结构、模型管理、试验设计、仿真运行、数据管理的技术特点和功能需求,对相应关键技术进行了攻关,制定了实施方案,在此基础上完成了相关设计和实现。平台能够适应全数学与半物理2种仿真工况,满足航天器系统方案设计全面仿真验证需求,并可方便接入商业或自研软件。最后通过仿真实例对平台的功能性能及通用性进行了验证。     

国产化测控系统可重构软件平台设计与实现

软件平台是国产化测控产品体系建设系列平台的重要组成部分。首先介绍基础软硬件平台和测控系统软件需求,然后针对这些需求和约束,说明测控系统软件平台的体系架构,并针对关键功能的实现进行了详细介绍。国产化测控系统可重构软件平台采用对象共享、标准接口、远程调用等技术,满足测控系统分布式需求,同时通过应用程序配置、动态加载、软件总线、标准接口及设备配置管理实现系统重构,为测控系统动态重组提供了支撑。可重构软件平台的成功研制推动了测控系统国产化的进展。     

低轨卫星可重构通信系统设计

提出一种适合于在轨重构的低轨卫星通信系统软、硬件架构方案,从工程实施角 度探讨包括天线、RF前端和基带处理单元在内的可重构硬件平台、可重构策略与软件控制流 的可行性,分析了可重构卫星通信系统实现的关键技术。利用软件无线电技术,分析了基带 和射频前端分离,可裁减、复用式平台实现的基本路径,以及基带、射频天线单元重构的实 现方法。通过各常规通信模式射频前端和数字部分的灵活组合,同时支持多频点、多模式的 通信制式,达到节省硬件成本和提高系统灵活性的目的。最后研制了一个可重构卫星通信地 面测试原理样机,模拟了卫星有效载荷和地面通信站在IS-95体制下两种CDMA加密码字间的 动态重构,有效验证了本文提出的可重构策略的正确性与合理性。
     

面向软件定义的飞行器综合电子系统软件架构技术

针对飞行器系统智能化发展对传统软硬件一体化研制方式的挑战,本文提出一种面向软件定义的开放式、可移植的飞行器软件体系架构。首先,提出一种逐层解耦的分段式飞行器软件体系架构,通过标准化各个段的接口与服务,实现飞行器的软硬件解耦、平台解耦与组件间解耦,有效支持飞行器软件功能组件的可移植与复用;其次,基于该软件体系架构,采用标准化可复用软件组件的快速集成验证方法,实现飞行器功能的软件定义。     

基于电源纹波的功率负载旁路检测方法

传统功率器部件的工作状态往往需要大量的传感器资源，并占用较多的无线/有线复用通信资源。为了实现功率器件的智能状态检测，降低使用传感器的复杂性，增强系统的可靠性，提出了一种基于电源状态检测的功率器部件旁路多点状态的检测方法。该方法的创新点体现于在不修改原有电路结构的情况下，旁路采集电源纹波作为功率器件工作状态的重要特征。在此基础上应用信号处理算法分析电源纹波的频域信息并构建数据集，进一步通过机器学习方法区分功率器件的各自工作状态。通过对大功率LED二极管PWM调制的纹波进行探测，对提出的相关方法进行了实验验证。实验结果表明，该方法检测性能优越、对环境不敏感，实现了更加智能、可靠、可拓展的功率器部件智能检测。     

基于FPGA架构的高可靠在轨重构系统设计

航天设备与地面设备相比,制造成本高,对空间环境的适应性要求也高。为了延长航天器寿命,提高其在轨工作的可靠性,需要考虑航天器在空间环境下的可维护性需求。针对航天资产在轨软件实现功能维护的需求,研究空间环境应用背景下的高可靠在轨可重构技术。基于FPGA芯片在航天器领域中应用的广泛性、灵活性及可靠性,设计了一种FPGA架构下的高可靠在轨重构系统。该系统的优势在于充分利用星载设备中普遍使用的“SRAM型FPGA+反熔丝FPGA”的硬件架构,在实现SRAM型FPGA动态刷新功能的基础上仅通过软件更改来增加在轨重构功能,极大降低了硬件更改的成本,扩展了可重构功能的应用范围。在某航天器星载设备中应用该在轨重构系统,通过实际飞行经历,验证了该架构系统设计方案的可行性、可扩展性及可靠性。     

分布式协同箭载电气系统总体架构研究

新一代信息技术的高速发展引发了运载火箭电气系统技术的革新。回顾了箭载电气系统总体架构的发展历程,分析了推动运载火箭电气系统发展的主要因素和未来箭载电气系统总体架构的发展趋势,针对智慧火箭电气系统可重构的目标,提出了一种分布式协同的一体化电气系统总体架构,对关键技术进行了论证,并对分布式可重构的运行机制进行了研究,最后总结了该架构的技术特征,给出了发展建议。     

航天器电源系统大功率智能配电技术

随着航天器功能的增多和容量的增大,对电源系统的配置、管理、故障检测与诊断以及可靠性和可维修性都提出了更高的要求,促使航天器配电技术向着大功率和智能化方向发展。文章介绍了“天宫一号”目标飞行器电源系统采用的大功率智能配电单元,并在此基础上提出了智能能源管理单元设计。通过采用智能数据处理、固态功率控制等改进技术,将大功率智能配电系统进一步提升和完善,拓展其应用领域,以满足未来载人航天和深空探测任务发展的需要。     

LEO卫星电源系统拓扑研究

基于30个近地轨道（LEO）卫星任务及其电源系统应用情况,在系统层面上对5种电源系统拓扑进行了分析比较,包括配置方式、控制原理、效率及器件等。针对功率调节性能和器件组成规模,选择配有最大功率点跟踪（MPPT）的升一降压调节器（B2R）作为多适用的电源系统拓扑。此系统适应LEO卫星需求,属于拓扑用途广泛的电源系统,可通过合理配置热备份的功率调节模块来实现功率组合及可靠性设计,具有较高的兼容性,能够满足中国LEO卫星任务需求。     

软件定义航天器系统架构设计

软件定义技术的高速发展有望引发航天产业新一轮的技术革新。文章分析了未来航天器发展的总体趋势和软件定义航天器的发展现状;针对未来航天器灵活、自主和快速的发展需求,提出了一种软件定义航天器系统架构,其具有设计分层化、接口规范化、硬件通用化、功能软件化和资源虚拟化等技术特征。相比以往的航天器系统架构,它将软件定义扩展至整个航天器,并充分考虑了航天器的固有特征。文章分析了该架构对未来航天器发展需求的满足情况,梳理了开放架构与规范、器载操作系统、器载超算平台和安全机制4项关键技术,并提出进一步细化系统架构、形成标准规范的发展建议。     

一种基于可重构片上互连的多核处理器架构

面向宇航应用,基于可重构片上互连,本文提出了一种新型的多核处理器架构。该架构在锁步技术的基础上进行了改进,利用可重构片上互连使得锁步技术引入的冗余核可以分时复用,以充分发挥多核性能。基于该架构的处理器软件编程,需对任务进行关键等级划分,使得非关键任务可以线程级并行执行,关键任务锁步执行,满足宇航应用对高可靠和高性能的需求。本文给出了该架构基于第五代精简指令集(RISC-V)的一种实现,并进行验证。结果表明:该架构实现了多核处理器在多核锁步和多核并行两种状态之间切换,分别获得高可靠或高性能的特性。     

基于最优梯度法的MPPT全数字控制仿真

为满足深空探测和低轨大功率航天器等特定电源需求、适应未来空间电源智能化管理的发展趋势,文章提出一种基于最优梯度法的最大功率点跟踪(MPPT)全数字控制方法,克服了采用硬件电路增量电导法因参数漂移而导致峰值功率跟踪精度不高的缺点。介绍了基于最优梯度法的MPPT算法的数字实现逻辑,并在Matlab/simulink软件中搭建了太阳电池阵MPPT控制的电源系统仿真模型,在模拟两种不同的太阳电池阵特性曲线突变的条件下,对所提出的MPPT控制策略进行了仿真,仿真结果验证了控制策略的准确度和有效性。     

北京三号A/B卫星数传智能处理器在轨处理关键技术及应用

针对北京三号A/B卫星高速数据处理和传输需求,采用全路由总线互联架构,全新设计了第五代数传基带处理设备智能处理器,给出了相关功能、指标和特点;重点介绍了智能处理器中软件定义功能的高性能异构计算单元、高性能遥感影像在轨处理技术、数传任务自主管理技术等在轨处理关键技术;最后,给出了智能处理器试验验证和应用情况,其具备硬件平台通用、软件定义功能,大幅提升了常规数传能力,创新实践了多种智能数传功能,通过北京三号A/B卫星成功在轨验证及应用,智能处理器可作为成熟产品应用于后续空间高速数传任务。     

立方星电源系统最大功率点跟踪优化控制方法

针对立方星在能量来源严重受限条件下如何提高太阳能利用率的难题，提出一种适用于立方星的集中供电式空间微电源架构(EPS)，并设计基于改进粒子群优化算法的最大功率点跟踪(MPPT)控制策略来提升能量转换效率。首先，推导太阳电池阵列的数学模型，并根据太阳电池阵列的工作特性，提出电源系统最大功率点跟踪控制的物理系统实现结构。其次，设计基于改进粒子群优化(PSO)的最大功率点跟踪控制算法，并进行了数学仿真校验。最后，对所设计的电源系统架构进行了硬件实现和试验验证。地面试验结果表明，电源系统的太阳能最大转换效率可达95.5%。该电源系统成功应用于世界首颗12U立方星“翱翔之星”的飞行试验，在轨数据表明电源系统工作状态良好，为微纳卫星电源系统的设计提供了有益参考。     

基于RISC-V的多核可重构处理器架构研究

介绍了一种多核可重构处理器架构。该架构利用可重构片上互连使得锁步技术引入的冗余核可以分时复用,充分发挥多核带来的性能增长。在该架构下,软件开发人员可以通过对任务进行关键等级划分,使得非关键任务可以线程级并行执行,关键任务锁步执行,满足星载计算机对高可靠和高性能的需求。提供了该架构基于RISC-V (第五代精简指令集)的一种实现,并阐述了该架构下的软硬件配合机制。     

面向下一代运载火箭的综合电子系统集成技术

介绍了面向下一代运载火箭分布式模块化电子系统(DIMA)的集成技术及系统架构。针对下一代运载火箭复杂电子系统的特点，按照系统集成的路线，对系统设计目标、系统功能需求分析、系统抽象机制、系统综合技术等多方面进行论述。首先，根据电气系统功能获得系统需求，采用功能抽象和层次抽象定义系统抽象模型，提取出高内聚低耦合的原子功能模块，并对模块的属性、交换关系、时序约束关系等进行定义；然后采用可视化表征方法对系统进行深入分析，利用系统综合技术实现了从系统功能到硬件资源的映射，从而给出了集成控制单元和模块的种类；随后采用分时分区的设计理念对系统节点分区划分方案及容错架构进行了定义，并对分区操作系统的调度模型和交换式的数据交互网络进行了论述，最终给出了系统软硬件架构。     

基于LabWindows动态链接库技术的航天器有效载荷通用测试系统的开发研究

航天器有效载荷产品的生产研制具有种类多、批次多、批量小等特点。为了提升有效载荷产品自动测试系统的软件灵活性,以应对测试项目复杂性增加所带来的挑战,提出了一种基于动态链接库技术的测试系统软件架构。该架构具备线程管理、仪器资源管理和测试序列编辑的功能,通过三层动态链接库的关联结构设计实现了自动测试系统中用户管理、业务逻辑和仪器控制的软件功能,同时给出了系统架构中各个模块的详细设计方案,最后通过产品测试验证了系统功能。提出的基于动态链接库技术组成的系统架构具有更小的程序粒度和良好的扩展性。通过三层动态链接库模块之间的灵活配置与重构,使得测试系统软件整体功能得到不断升级,极大地满足了当前航天有效载荷产品生产研制对于集成测试系统的需求,从而为航天器测试系统架构设计提供了的一种新思路。     

一种太赫兹可重构超表面设计方法

太赫兹是第六代无线通信系统的核心技术之一,而可重构超表面技术作为太赫兹感通一体的难点问题,对其进行研究具有重大的意义和价值。本文提出了一种基于肖特基二极管的1 bit相位可重构超表面,通过控制肖特基二极管的偏置电压可以控制超表面单元在‘0’和‘1’两种工作状态间切换,可重构超表面单元在203GHz～230GHz的频段内实现了在‘0’,‘1’两种状态下反射幅度均大于-1dB,反射相位有180°±20°的变化,基于对单元进行组阵仿真试验,通过合理的设计阵面上单元的工作状态,可以实现波束扫描功能。本文所提出的方法为太赫兹可重构超表面的研究提供了一种新思路,在未来6G太赫兹通信等领域有重要的应用价值。