基于拜占庭容错体系构架的航天器控制系统测试性设计与分析

摘要： 飞行控制系统作为航天飞行器的关键机载系统,其运行情况直接关系到飞行任务的成败.通过良好的测试性设计,可以提高系统的可靠性和安全性,减少维修人力及其他保障资源,降低寿命周期费用.对拜占庭容错体系结构的航天器控制系统和分层多信号流图模型的测试性设计和建模方法进行了详细的叙述,并对基于拜占庭容错体系结构的航天器控制系统进行了测试性建模,通过测试性建模和分析系统（TMAS软件）验证控制系统测试性设计的正确性和有效性.     

AADL在航天器控制系统设计中的应用研究

以某型号航天器为例提出了一种使用体系结构分析和设计语言(AADL,architecture analysis & design language)分层次建模的方法,建立控制系统软件及软件与硬件之间的交互模型.采用状态自动机方式描述串口通信协议,以便分析模型.     

基于反馈摄动的航天器姿态正规矩阵控制

研究三轴稳定的挠性航天器姿态的鲁棒控制问题．由混合坐标方程导出姿态动力学逆传递函数矩阵,并分析其正规性．基于正规性分析结果,使用系统不确定性反馈摄动描述对姿态控制系统的正规矩阵设计方法进行研究．研究结果表明,逆传递函数矩阵可视为正规矩阵,且动力学参数的摄动不影响其正规性．利用这一特性,提出一种适用于航天器姿态控制的正规矩阵设计方法．在该方法中,航天器姿态的鲁棒控制可以通过增加参数约束达成对三轴姿态的独立控制,从而提高设计的可继承性．计算机仿真验证了该设计方法的有效性．     

面向领域的仿真设计建模工具SIMDEMO

讨论了面向领域的仿真设计建模工具SIMDEMO的设计和实现.基于透明性、正交性、层次性的视图分解原理,对处于不同阶段、面向不同用户、涉及不同方面的系统模型采用多视图进行分解,建立了以多视图为核心理念的系统协同建模方法,给出了该建模方法下建模所需遵循的过程指导.针对领域模型描述、表示以及操作等多个方面对工具重构的需求,研究得到了基于元对象反射模型的工具架构;架构具有良好适应性,使得工具重构更灵活、简捷.对SIMDEMO的功能结构进行了简介,给出了系统实现方案.最后,将SIMDEMO与典型同类工具作了比较.     

柔性航天器的动力学建模问题

首先简单介绍了关于柔性航天器动力学建模的一些综述论文,指出了柔性航天器动力学建模的困难所在。然后,分别对柔性体变形运动的描述模型,浮动参考架的选择、动力学方程的建立和模型降阶等问题进行了探讨。     

基于误差空间的航天器姿态反步容错控制

提出了一种基于误差空间的航天器姿态反步容错控制方法,以反作用飞轮作为航天器的执行器,在考虑反作用飞轮存在安装偏差及故障的情况下,仍可保证航天器姿态的稳定性。首先,基于Lyapunov稳定性原理,根据系统机械能变化构造了具有普遍性的Lyapunov方程。通过反步递推方法,得到了适用于航天器存在执行器偏差及故障情况的普遍性的容错控制方法;然后,通过误差空间拓扑所得的误差函数描述了势能误差。从几何层面上看,这是描述势能误差的最短路径选择,从而得到了基于误差空间的反步容错控制方法。因此,在对航天器进行姿态控制时,该方法可以迅速调整增益,使得系统姿态误差迅速收敛至零,从而有效减少系统响应时间;最终,通过对考虑执行器偏差及故障情况的航天器姿态控制系统使用不同的控制方法进行数值仿真,验证了该方法能够在执行器故障情况下依然保持系统姿态的稳定,且具备良好的响应速度。     

航天器自动化测试与航天器测试语言

通过对航天器自动化测试需求的分析,总结出面向航天器自动化测试语言应具备的特征;通过对航天器测试业务中测试操作、测试流程、测试层次和体系结构的分析,给出了航天器测试语言的两种类型的语句,常规测试语句和专用测试语句,并将航天器专用测试语句分为操作类语句、数据类语句、时间类语句和控制类语句,给出了这4种专用测试语句的定义及其形式化描述.该语言对提高我国航天器测试业务的效率和测试人员的工作效率、促进航天器测试自动化研究的发展将起到一定的推动作用.     

UML在航天器姿态与轨道控制应用软件需求建模中的应用

简要介绍了UML语言及其建模技术,描述了航天器姿态与轨道控制系统应用软件的组件构成与接口,并分析了组件间的依赖关系;针对航天器姿态与轨道控制应用软件的需求,对其功能需求和非功能需求进行分析研究;建立的软件需求模型实例体现了UML建模技术的特点和优势。     

基于场景控制特征的安全性需求分析方法

安全性需求是系统安全性保证的关键。随着系统复杂度和耦合度的剧增,安全性需求的分析提取日益困难。通过对系统需求场景的控制结构和过程分析建模,提出描述控制过程中系统变量间关系的变量影响图模型,进一步给出了安全性需求分析方法。通过该方法,使用变量影响图等对控制过程进行分析,生成基于系统理论事故模型和过程（STAMP）的危险性控制活动,并以此获得系统安全性需求。经实验验证,所提出的安全性需求分析方法在正确性和一致性方面具有较好的效果。      

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.     

面向航天型号软件的混成建模语言研究

随着我国航天事业的快速发展，软件在航天器中的作用和地位越来越突出，航天软件逐渐成为航天型号任务成败的关键之一.航天型号软件普遍具有实时性高、可靠性要求高、运行环境复杂以及航天器结构复杂、资源受限等特点，这给航天型号软件的描述、设计、分析和实现带来了巨大的挑战.嵌入式周期控制系统语言(SPARDL)仅关注了离散时间的动力系统，为了描述物理世界的连续行为，希望发展一种面向航天型号软件建模特征的混成描述语言(HSPARDL)，使其能够统一地描述其运行的物理过程与软件的控制行为，以及它们之间的协同交互机制，同时，为其提供严格的形式语义模型确保嵌入式软件设计的正确性和可靠性，最终为航天型号软件的设计和实现提供坚实的理论基础和方法支撑.     

An analysis of the flexibility modeling of a net for space debris removal

Operational spacecraft are facing a risk of collision with space debris objects. The net capturing method has been proposed to mitigate this risk on spacecraft. The mass-spring model is usually applied for net modeling by discretizing a cable into one or several mass-spring-damper elements in simulation. The absolute nodal coordinates formulation (ANCF) has also been applied to model the net, and this model is able to describe the flexibility of a net using less elements. However, the influence on the net behavior in simulation by the flexibility modeling of a net is not well understood and barely discussed. In this paper, flexibility models of a net are established based on the mass-spring model and the ANCF model,respectively. The influence on the net behavior by the flexibility modeling is, for the first time, analyzed via simulations. Two case studies of capturing a ball and a cube shaped targets are performed. It is found that the flexibility modeling has little influence on the net dynamics in simulation. Finally, the characteristics and benefits of the ANCF model are described and analyzed. A drawback of the ANCF model was found to be its inferior computational performance.     

航天器控制系统高可信度地面测试技术

随着航天器复杂程度和指标要求的不断提高,高可信系统级地面测试越来越凸显其重要性.以工程应用为出发点,对航天器控制系统高可信地面测试涉及的相关理论和技术进行探讨.提出了测试可信度的定义,并以航天控制工程为背景分析了测试可信度的影响因素.在此基础上,系统介绍了柔性化原型测试、航天器控制系统指标专项测试、高可信动力学建模、高可信信号源技术等方面的初步研究成果.     

空间对接机构差动式缓冲阻尼及传动系统力学特性研究

空间对接机构差动式缓冲阻尼及传动系统的模化是航天器对接动力学中的核心内容之一,本文在分析该系统运动学原理的基础上研究系统的动力学特性,给出了精确的动力学模型,进行对接动力学仿真研究。      

嫦娥一号卫星的制导、导航与控制

嫦娥一号卫星是中国首颗月球卫星。卫星制导、导航与控制(GNC)任务复杂多变,对系统实时性、可靠性和精度要求较高。文章介绍嫦娥一号卫星GNC系统组成、控制方法、系统特点和典型飞行结果。