人控交会对接九自由度半物理仿真试验系统设计及验证

以人控交会对接半物理仿真试验需求为背景,提出了可对人控交会对接控制系统单机敏感器性能和控制律设计方案进行仿真验证的人控交会对接九自由度半物理仿真试验系统的设计方法,给出了利用该设计方法对神舟九号飞船人控交会对接控制系统的仿真验证结果.神舟九号飞船与天宫一号目标飞行器首次在轨人控交会对接的工程实践结果表明,人控交会对接九自由度半物理仿真试验系统的设计方法正确.     

“人在回路”的载人航天器控制系统地面验证平台设计

针对栽人航天器“人在回路”的特点,在评价现有人控交会对接试验系统特点的基础上对地面验证系统设计原则进行归纳,提出一种载人航天器人工控制系统地面验证平台设计方案．该方案在继承以往航天器自动控制系统地面测试系统设计要点的基础上将“人”纳入控制闭环中,确保了载人航天器人工控制系统地面验证真实性．最后对平台的信息流回路、光学变换器等关键技术进行了阐述．     

人控交会对接摄像机调光算法 设计与验证方法研究

航天器人控交会对接过程中,空间光照环境极为复杂.摄像机作为最主要的相对测量敏感器,需要设计合理的调光算法以适应各种工况.详细分析了航天器的空间光照环境,针对人控交会对接的场景特点,对基于直方图的自动调光算法提出了改进措施,并提出了全面的地面验证测试方法,证明了改进后的直方图自动调光算法的合理性.     

轨道维持与调相的综合优化策略研究

在交会对接飞行任务设计研究中必须首先确定目标航天器的轨道设计策略,研究了一种将目标航天器轨道维持和调相两种任务进行综合优化的策略.轨道维持的任务是使得目标航天器轨道的形状和位置符合交会要求,调相的任务是使目标航天器在轨道中的初始相位角符合交会要求.在考虑了交会对接发射窗口、交会终端约束条件下,将目标航天器轨道设计问题转化为一个非线性规划问题,应用序列二次规划方法对其进行了求解.仿真计算表明,这种方法既能以较少变轨次数满足交会对接任务要求,又能节省燃料,为空间交会对接任务规划提供了重要参考.     

误差情况下航天器交会任务的实现

在进行航天器交会对接制导方案设计时 ,必须考虑在误差情况下航天器交会任务的实现。在水平推力冲量多弧段交会机动方案基础上 ,设计了二次冲量修正法对各种误差引起的交会过程误差进行制导修正。仿真算例结果表明 ,设计的制导方法是可行的 ,而且不影响原交会机动制导方案的优点。     

月球轨道交会对接任务辅助预报系统设计与验证

针对月球轨道自主交会对接制导、导航与控制(GNC)系统任务特点,设计一种基于人机协同框架的月球轨道自主交会对接过程辅助预报系统.该系统包括利用机器学习方法构建交会对接安全性规则知识库和安全性辅助预报两个部分.首先,在地面半物理仿真试验环境中,对导航监视相机拍摄的图像进行特征提取和匹配,利用图像特征与交会对接偏差组成训练样本对,用决策树方法构建安全性规则知识库.然后,利用安全性规则知识库,根据交会对接飞行过程中监视相机拍摄的当前状态的图像预报交会对接后续过程的安全性,给出成功的概率.通过地面半物理实验表明,该系统能够提升飞行控制过程中的智能化水平,有效协助地面飞行控制人员进行数据监视与任务决策.     

基于代码自动生成的空间交会GNC系统仿真平台

空间交会对接GNC系统涉及目标器和追踪器两个航天器的姿态轨道控制,其数学仿真比一般的卫星更复杂.给出一种轨道动力学、姿态动力学、相对动力学、测量及执行部件等仿真模型的规范化方法,并在此基础上,提出一套基于代码自动生成技术的空间交会对接GNC仿真平台,该平台的模块化和自动化程度高、软件的可读性和通用性强,实现了两个航天器的快速规范化仿真,显著提高了研究人员的工作效率,为空间交会GNC系统的设计和仿真提供了良好的支持.     

交会对接敏感器总体设计要点分析

相对测量技术是完成在轨航天器交会对接的重要技术之一,设计能够完成相对位置、速度,以及近距离的相对角度、角速度测量的交会对接敏感器,用于确定交会的轨迹和控制对接时的相对运动,不仅要考虑实现功能、性能方面,还要考虑在工程实现中外太空杂光干扰、热环境等因素的影响．本文不涉及到交会敏感器的具体设计,而是从分系统的任务和技术总体设计角度,总结交会对接敏感器设计时应注意的几个方面．     

美国的空间交会对接技术

为了给"阿波罗"登月计划作技术准备,美国研制和发射了"双子星座"系列两舱式飞船,用于突破和掌握太空行走和空间交会对接技术。1966年3月,美国"双子星座"8号飞船与由"阿金纳"火箭末级改装的目标航天器实现了世界上首次交会对接。1969年7月,美国"阿波罗"指令舱与登月舱实现了首次月球轨道人控交会对接。进入20世纪80年代,美国投入巨大的人力、物力,     

空间交会对接GNC软件的自动化测试

介绍一种面向航天器空间交会对接GNC软件的自动化测试方法,通过对测试用例和测试脚本的管理、测试过程的自动执行、测试数据的判读和测试缺陷管理,实现对航天器空间交会对接软件的自动化测试.实践表明所述的自动化测试方法在GNC软件的测试中发挥了重要作用.     

Predicting performance in manually controlled rendezvous and docking through spatial abilities

Manually controlled rendezvous and docking (manual RVD) is a challenging space task for astronauts. This study aims to identify spatial abilities that are critical for accomplishing manual RVD. Based on task analysis, spatial abilities were deduced to be critical for accomplishing manual RVD. 15 Male participants performed manual RVD task simulations and spatial ability tests (the object-manipulation spatial ability and spatial orientation ability). Participants’ performance in the test of visualization of viewpoints (which measures the spatial orientation ability) was found to be significantly correlated with their manual RVD performance, indicating that the spatial orientation ability in the sense of perspective taking is particularly important for accomplishing manual RVD.     

基于有限状态机的交会对接飞行任务规划方法

为实现多约束条件下载人航天器交会对接（RVD）飞行任务的快速、准确规划,提出了一种基于有限状态机（FSM）的飞行任务规划方法。通过飞行过程与有限状态机的映射关系建立图形化任务规划模型,以飞行事件为状态,以测控、光照等约束条件为输入信号,驱动有限状态机的状态转移,进行模型求解,实现交会对接飞行任务的自动规划。以中国神舟十号飞行任务中航天员手控交会对接试验为例,进行了规划验证。经对比,规划计算结果与任务实施结果一致,表明所提方法可以实现交会对接飞行任务的快速、准确规划。      

神舟八号飞船交会对接制导、导航与控制系统及其飞行结果评价

介绍神舟八号飞船交会对接制导、导航与控制系统的组成和工作原理,交会对接任务阶段划分,系统实现需关注的问题,以及神舟八号飞船与天宫一号目标飞行器首次交会对接飞行试验的结果和评价.     

载人航天器电动兼手动舱门的研究

为了适应载人航天出舱活动和交会对接技术的发展,需要研究一种既能在轨保持良好密封性能、又能实现电动兼手动操作的高可靠舱门机构。在分析了载人航天器舱门特点的基础上,提出了一种新型电动兼手动操作的舱门锁紧与开锁机构方案,设计了电动/手动切换机构,借用Pro/E软件对各零件进行三维造型和装配,并通过ADAMS软件进行了舱门机构的运动学仿真。模装与仿真结果表明,该电动兼手动舱门能够实现其预期的运动,无结构干涉,具有操作简单、操作力小、传动效率高的特点。     

空间飞行器总体设计的电磁兼容性问题

结合空间飞行器总体设计的特点,介绍了电磁兼容性概念及其发展过程;分析了空间飞行器所处的电磁环境,指出总体设计中的若干电磁兼容性问题;提出了空间飞行器研制各阶段中开展电磁兼容性工作的流程图,强调必须在目前和今后各种型号的空间飞行器研制中引起充分的重视。     

航天器稀疏编队飞行的概念及其设计方法

提出了航天器稀疏编队飞行的概念及其设计方法，阐明了它与通常的紧密编队飞行的区别及其在应用上的前景。采用了一个比Hill解更为广泛的新公式来设计稀疏编队，并列举了若干稀疏编队的阵形。当各航天器距离很近时，该公式自然退化为与Hill解相同的形式。通过与Hill解的设计相比较，表明了新公式用于稀疏编队设计的优越性。     

基于组态建模的航天器姿轨控数学仿真系统

数学仿真是研究航天器姿态轨道控制系统常用的手段,目前常用人工编程的方式建模,花费时间长且软件的可读性、可维护性较差.提出一套基于组态建模的航天器姿态轨道控制仿真系统,该系统通用性强、可支持自动建模及代码生成.仿真实例表明,该系统模块化、自动化程度较高,大大提高了研究人员的工作效率.     

加拿大移动服务系统地面遥操作模式综述

针对未来我国空间站机械臂地面遥操作任务需求,分析目前国际空间站上加拿大移动服务系统（Mobile Satellite Services,MSS）地面遥操作的系统设计和安全性问题。介绍了MSS的系统构成,分析了MSS地面遥操作需求,对比分析了在轨操作和地面遥操作模式的不同,以及地面遥操作的约束条件;介绍了MSS地面遥操作过程中的任务规划、任务执行和在轨调试;总结了对我国空间站机械臂遥操作的启示,为从事空间站机械臂地面遥操作的科研人员提供一定的借鉴和参考。     

基于三目视觉的航天器交会对接位姿测量方法研究

随着载人航天和宇宙空间站的不断发展, 航天器自主对接技术显得日趋重要. 在航天器对接的最后逼近阶段, 实时精确测量两航天器间的相对位置姿态参数是对接成功的关键. 针对航天器交会对接中位置姿态参数的测量问题, 研究了三目视觉的非线性测量方法, 阐述三目视觉的测量原理并建立数学模型, 将相对位姿参数求解问题转化为非线性优化问题, 进而利用Levenberg-Marquardt算法求解. 仿真研究表明, 与双目视觉线性方法和三目视觉线性方法相比, 该方法能降低图像匹配误差的影响, 提高特征点的定位精度, 增加测量系统的可靠性.      

Development of in-situ Space Debris Detector

Due to high relative velocities, collisions of spacecraft in orbit with Space Debris (SD) or Micrometeoroids (MM) can lead to payload degradation, anomalies as well as failures in spacecraft operation, or even loss of mission. Flux models and impact risk assessment tools, such as MASTER (Meteoroid and Space Debris Terrestrial Environment Reference) or ORDEM (Orbital Debris Engineering Model), and ESABASE2 or BUMPER II are used to analyse mission risk associated with these hazards. Validation of flux models is based on measured data. Currently, as most of the SD and MM objects are too small (millimeter down to micron sized) for ground-based observations (e.g. radar, optical), the only available data for model validation is based upon retrieved hardware investigations e.g. Long Duration Exposure Facility (LDEF), Hubble Space Telescope (HST), European Retrievable Carrier (EURECA). Since existing data sets are insufficient, further in-situ experimental investigation of the SD and MM populations are required. This paper provides an overview and assessment of existing and planned SD and MM impact detectors. The detection area of the described detectors is too small to adequately provide the missing data sets. Therefore an innovative detection concept is proposed that utilises existing spacecraft components for detection purposes. In general, solar panels of a spacecraft provide a large area that can be utilised for in-situ impact detection. By using this method on several spacecraft in different orbits the detection area can be increased significantly and allow the detection of SD and MM objects with diameters as low as 100 μm. The design of the detector is based on damage equations from HST and EURECA solar panels. An extensive investigation of those panels was performed by ESA and is summarized within this paper. Furthermore, an estimate of the expected sensitivity of the patented detector concept as well as examples for its implementation into large and small spacecraft are presented.