Optimization of fault-tolerant thruster configurations for satellite control

The fault tolerance of spacecraft actuators significantly affects the reliability of satellites and the likelihood of successful missions. To enhance the fault tolerance of the actuators, this study derives optimal fault-tolerant configurations of fixed thrusters that maximize the controllability of a fully-actuated or underactuated satellite. The proposed method optimizes thrust and torque directions generated by the thrusters. Thus a cost function in terms of the thruster locations and directions is defined as the summation of the generated control forces and torques with respect to the body-fixed frame. The optimal configuration is obtained by the successive use of an energy potential method that is motivated by Thomson’s problem. Some numerical examples are provided that show the effectiveness of the proposed formulation and optimization method.     

基于深度神经网络的航天器姿态控制系统故障诊断与容错控制研究

针对传统航天姿控系统故障诊断与容错控制诊断精度及控制分配效率较低的问题，提出了一种基于深度神经网络的航天器姿态控制系统故障诊断与容错控制方法。以控制力矩陀螺为执行机构的航天器发生执行机构故障工况时，所提出的方法可保证鲁棒的姿态控制。首先，利用三个异构深度神经网络实现传统容错控制器的故障诊断、姿态控制和力矩分配等功能，建立了全神经网络的智能自适应容错控制器架构。然后，对三个神经网络的网络层数、神经元数目和激活函数等参数进行优化调整，对比分析了神经网络参数对控制器性能的影响。最后，对所提出的新型控制器在控制力矩陀螺发生故障时的控制精度和鲁棒性进行了仿真验证。仿真结果表明，对于具有冗余控制力矩陀螺的航天器，提出的方法不仅能在单一陀螺故障下实现高精度的容错控制，也能在发生多陀螺故障时保证一定的姿态稳定控制。     

一种控制系统故障处理中的互斥设计方法

航天器控制系统中多种故障处理均进行推力器切换操作,而推力器切换操作需要多个控制周期来完成,一旦开始执行应不被打断,否则会导致推力器切换错误.针对在短期内先后触发两种及以上故障时可能导致推力器切换时序冲突和推力器切换错误的情况进行了充分分析.提出了一种软件互斥设计方法,解决多种故障短期内交叉耦合触发引起的推力器切换错误问题.测试结果表明,该方法能使单故障和多故障触发的推力器切换操作正确有效.     

Constant thrust collision avoidance maneuver under thruster failure

In this paper, the collision avoidance maneuver under the chaser’s thruster failure in radial direction is investigated. First, based on the vision measurement, the relative position parameters of the target spacecraft are obtained and the target maneuvre positions are calculated through the isochronous interpolation method. Then, by using coupling effects, the thrusters working time intervals can be computed by the time series analysis method. The perturbations and fuel consumptions are addressed during the computation of the thrusters working time intervals. Next, the switching control law under constant thrust is designed for active collision avoidance maneuvres along a specified trajectory.     

基于遗传编程的航天器有限推力逼近轨迹规划

通过引入基函数的概念,提出了采用遗传编程求解有限推力航天器逼近非合作目标最终逼近段轨迹规划问题的方法。该方法将推力器开关状态定义为基函数,以多个基函数分别乘以开关状态持续时间再求和作为推力器开关的历程函数;将历程函数转换为遗传编程的树型结构,将消耗燃料的质量作为适应度函数,并将规避障碍物和终端逼近精度等约束条件以罚函数的形式添加到适应度函数中;利用遗传编程的模拟自然进化理论的全局寻优机制求解,最终得到最优逼近轨迹方案。某航天器在有限推力下逼近非合作目标的轨迹规划结果表明:整个逼近过程推力器仅开关5次,大大降低了对开关频率的要求,同时,规划结果比采用高斯伪谱法时逼近时间降低了30.09%,燃料消耗降低了4.18%。      

基于会切场推力器无拖曳系统建模及参数优化

随着卫星重力测量技术的突破性进展,对航天器试验环境要求也在不断提高,航天器受到的残余扰动必须尽可能减小。作为中国将来重力场测量卫星备选主推力器的会切场推力器,其推力器的控制精度直接决定了测量的准确性。文章首先通过PID方法设计了位移模式下的无拖曳控制器,该控制器在预估阻力系数、参考质量与卫星本体的位移差、速度差等性能方面有良好的表现,在应对卫星运行时的突发情况时表现出很强的稳定性。但PID参数没有达到最优解,在此基础上对于该模型的控制精度进行优化,用遗传算法对PID控制的参数进行筛选。结果分析表明,会切场推力器的控制精度有所改善,NTW方向上的速度和位移误差均减小;推力阻力和显著减少;控制精度提高,更好地满足使用需求。     

大功率轨道转移航天器全电推进系统研究

采用基于电推进的空间运输系统(转移级)完成使命,相对于采用化学推进可节省大量的推进剂,能够显著降低航天器的发射重量或者把更多的有效载荷送达探测目标地。调研了国外大功率电推力器的研究情况,针对近地空间的大功率轨道转移航天器任务需求,给出了电推进系统方案设计,并对采用不同性能指标推力器的多种方案进行对比,得到综合最优的方案。最后针对我国电推进技术发展现状,给出了我国大功率电推力器的关键技术和发展建议。     

Constant thrust-V-bar departure under the thruster failure

In this paper, a field-of-view constrained guidance algorithm for -V-bar constant thrust departure under thruster failure is investigated. First of all, the relative position parameters of the chaser are obtained by using the vision measurement and the target departure manoeuvres positions are calculated through the isochronous interpolation method. Then, a new switching control law under constant thrust is designed for the departure manoeuvres. The switching control law is obtained based on the acceleration sequences and the on time of thrusters which can be computed by the time series analysis method. The perturbations and fuel consumptions are addressed during the computation of the on time of thrusters. With the switching control law, the constant thrust-V-bar departure under the thruster failure in the x-axis is carried out by using coupling effects.On the basis of the toolbox of matlab, practical examples for simulation and application are given. The half cone angle of the cone-shaped field-of-view of the target spacecraft is α = 30°, the simulation results show that the proposed guidance algorithm can well satisfy the conditions for the constraints and can make sure the chaser departures from the target spacecraft safely.     

航天器推力器布设对燃料消耗的影响

对航天器六自由度控制的推力分配问题进行了研究,参考卫星导航系统中几何精度衰减因子(GDOP) 的定义,首次提出了推力器构型燃料消耗因子（FCF）的概念,并将此概念用于定义推力器相对几何关系引起的期望控制量与燃料消耗间的比例关系。通过矩阵理论分析得到了燃料消耗因子随推力器数目增加而减少的结论,并通过仿真计算对结论进行了验证。     

立方体式考夫曼离子推力器极靴结构设计

考夫曼离子推力器因具有高比冲、高效率、长寿命等特点,是应用于航天器电推进类型之一。过去研究主要集中在轴对称柱状结构考夫曼离子推力器,然而对于未来模块化立方体卫星,立方体构型推力器非常适合多推力器的组合、多推力器羽流集中中和,结构紧密并且减少航天器附件。为此,基于自主设计的立方体式考夫曼离子推力器,采用三维数值仿真方法对推力器放电室进行了计算分析,获取了不同阴极极靴内径下推力器放电室磁场分布,对比研究了不同极靴构型下放电室电子密度分布和电子温度分布。结果发现,增大阴极极靴内径使得磁场分布均匀性变差,放电室内壁电子温度升高,电子损耗增大,放电室出口离子密度降低。因此,对于本立方体考夫曼离子推力器,长宽高为15mm×12.5mm×15mm的阴极极靴构型最佳,既可保持较低的壁面电子温度,又有利推力器出口的离子均匀性。     

无拖曳卫星推力器动态模型研究

无拖曳技术能够有效地抵消卫星的非保守力,适用于未来的空间探测任务.这种技术的实现对推力器提出很高的要求.在广泛调研的基础上,归纳无拖曳卫星中微推力器的工作原理及特点,并介绍其应用情况.根据中国无拖曳技术的发展要求,针对无拖曳冷气微推力器中比例阀的流量控制过程,建立其动态模型进行仿真,并在此基础上设计模糊自适应PID控制器,改善了系统的动态性能.     

Design of an FPGA-based electronic flow regulator (EFR) for spacecraft propulsion system

This paper describes a scheme for electronically regulating the flow of propellant to the thruster from a high-pressure storage tank used in spacecraft application. Precise flow delivery of propellant to thrusters ensures propulsion system operation at best efficiency by maximizing the propellant and power utilization for the mission. The proposed field programmable gate array (FPGA) based electronic flow regulator (EFR) is used to ensure precise flow of propellant to the thrusters from a high-pressure storage tank used in spacecraft application. This paper presents hardware and software design of electronic flow regulator and implementation of the regulation logic onto an FPGA.     

卫星姿态控制系统执行器微小故障检测方法

针对卫星姿态控制系统执行器微小故障检测问题,提出一种基于神经网络干扰观测器的微小故障检测方法。该方法利用卫星姿态控制系统内的冗余关系,分别构建陀螺干扰观测器和干扰力矩观测器,对系统内的测量误差、扰动等进行估计,并对故障检测观测器进行扰动补偿,提高对执行器微小故障的检测能力。仿真结果表明,与基于解析模型的方法相比,该方法能够较精确地对解析模型的误差进行补偿,明显降低了检测阈值,实现了对扰动掩盖下的微小执行器故障检测。      

GEO卫星基于电推进系统的倾角与偏心率联合控制方法

针对配置电推力器的GEO卫星位置保持问题,提出一种对倾角与偏心率进行联合控制的方法,建立了求解控制方程的优化模型,并针对优化模型变量多、约束复杂的问题进行降维处理,得到两种简化的求解方法,降低了求解复杂度与计算量,适合星上自主计算。采用联合控制方法,仅靠电推力器就能够同时实现卫星倾角和偏心率的高精度控制,有效降低卫星位置保持总的推进剂消耗。仿真算例表明,与电推力器只控倾角的传统方法相比,在保证偏心率控制精度不变的前提下,采用电推力器倾角与偏心率联合控制方法,15年寿命期内节省推进剂质量39kg。     

无中和器射频离子推力器原理研究

在电推力器的广泛应用中,大部分都采用加速正离子的方式产生推力,且需要安装中和器发射电子对喷射出的正离子进行中和,否则会导致航天器自充电,对其通信及电子器件造成损害。因此,中和器的性能成为制约电推力器工作状态和寿命的重要因素。为了克服该缺点,介绍了一种基于同时加速正、负离子的无中和器射频离子推力器,阐述了其结构组成及推进原理,分析了离子-离子的产生、正负离子的加速过程,指出了关键技术包括电负性工质气体放电特性、磁场过滤电子束缚效能,以及可周期性交替加速正、负离子的栅极偏置电压加载方式。分析表明,该推力器在低轨航天器及深空探测器中具有潜在的应用前景。     

基于循环神经网络的卫星姿态执行器故障诊断

针对卫星姿态控制系统执行器机构故障问题，提出了一种基于循环神经网络的故障诊断方法。对卫星姿态控制系统建模，进行故障分析并采集星敏感器和角速度陀螺的连续时刻故障数据。设计六种异构的循环神经网络，对故障数据进行故障诊断和分类, 分别从网络深度、反馈单元、激活函数和训练算法对比网络效果。带有门循环单元的 (gate recurrent unit，GRU)深层循环神经网络训练效果更好，其故障诊断准确率达到了95.7%。结果表明对于时序的卫星数据，门循环单元和带有一定深度的循环神经网络故障诊断效果更优。     

Compensation of base disturbance using optimal trajectory planning of dual-manipulators in a space robot

This paper presents a trajectory planning algorithm for a space robot with dual-manipulators. Here one manipulator of the space robot captures a target, and another manipulator is free. In this case, this study uses one manipulator as the mission manipulator to capture the target, and another as the balance manipulator aiming at the compensation of the pose disturbance. For this method, a novel trajectory planning algorithm applied to the balance manipulator is presented. The trajectory planning problem is transformed into series of problems of the optimal state solution, and then the iterative algorithms for the trajectory planning are designed. In the iterative algorithms, the bias force on the spacecraft base caused by the balance manipulator is used as the compensation force. Then, to calculate the expected compensation force and torque, a pose control law for the spacecraft base is introduced. The expected compensation force and torque provide equality constraints for optimization problems, which implies that the trajectory planning algorithm compensates for not only the disturbance generated by the manipulator’s motion, but also environmental disturbances. This is because the expected compensation force and torque depend on the pose change of the spacecraft base rather than the type of the disturbance. Numerical simulation was carried out to analyze the proposed trajectory planning method. It was observed that the method greatly reduces the disturbance of Manipulator A on the spacecraft base. These results validated the effectiveness of the proposed method for the trajectory planning to make the spacecraft base disturbance up to minimum.     

脉冲等离子体推力器电磁加速机理数值研究

为了对脉冲等离子体电磁加速机理有清晰的认识，为后续推力器性能的优化和产品的小型化提供理论基础,需要对脉冲等离子体推力器的特性进行数值研究。利用包含电容、电感、平行板电极、等离子体的一维集成电路模型,开展了脉冲等离子体推力器的数值模拟研究。通过改变初始放电电压和电极间距的大小，系统地研究了脉冲等离子体推力器的初始放电电压、电极间距对推力器电磁加速的影响。结果表明，在其他参数不变的情况下，推力器的推力、比冲、元冲量，以及等离子体的密度、温度随推力器初始放电电压的增加而增加；同样，增加电极间距也能够提高推力器的推力、比冲；然而，电极间的阻抗会随电极间距的增加而增加，导致推力器的点火难度也随之增加，因此脉冲等离子体的电极间距存在一个最优值。     

基于深度迁移学习的航天器故障诊断

随着航天科技的发展,智能故障诊断技术是确保航天器控制系统安全、自主运行的关键技术之一.由于在轨航天器遥测数据样本少、噪声高、未标记,因此缺乏自适应能力、学习能力的传统故障诊断方法难以准确诊断在轨航天器故障.本文针对上述问题提出一种基于深度迁移学习的航天器故障诊断方法,为在轨航天器实时故障诊断提供了可行方法.首先,对航天器运行数据进行预处理,将多维时域信号转换为二维图像信号;其次,搭建基于残差网络的故障诊断深度学习框架,并利用地面测试数据与其他航天器在轨运行数据对网络进行预训练;进而,为了实现当前在轨航天器实时故障诊断,本文采用迁移学习自适应方法,设计网络联合分布自适应代价函数,对故障诊断模型进行参数重调,使模型适应当前在轨航天器故障诊断任务.仿真结果表明,所提出的基于深度迁移学习的故障诊断方法可以快速准确的诊断出航天器故障.     

基于RBF神经网络的控制电器元件故障诊断

针对控制电器元件故障征兆与故障类型之间的非线性映射关系,提出了基于径向基函数神经网络RBFNN(Radial Basis Function Neural Network)的控制电器元件故障诊断方法.在分析控制电器元件故障机理和失效形式的基础上,提取出描述故障类型的典型故障特征矢量.给出在获得足够多故障信息的情况下,运用RBFNN进行故障诊断的模型及整个故障诊断算法的实现过程.为了验证故障诊断模型的有效性和合理性,利用训练好的RBFNN对故障特征矢量进行识别.仿真结果表明,RBFNN能克服诊断过程中容易陷入局部极小的缺点,并能满足故障诊断的快速性和准确性要求.