分布式容错计算机系统在航天器上的应用

计算机容错技术是提高系统可靠性的强有力手段，卫星星上数据管理系统是高可靠性的分布式容错计算机技术系统，在硬件和软件的设计中，应用了故障检测、故障屏蔽和动态冗余等多种容错技术，本文从理论和工程实践两个方面介绍了各种容错技术在航天器上的应用。     

面向卫星追踪平台的容错纠错策略与算法研究

针对2RPS+2TPS型卫星追踪平台可能出现的传感器故障提出了一种容错纠错策略。该策略通过在卫星追踪平台的固定平台和动平台中心附加一柔索,柔索一端连接弹簧和冗余传感器,实现了对卫星追踪平台四条驱动腿传感器故障的容错纠错功能。如果驱动腿中的某一个传感器发生故障,则可根据空间闭链机构约束,由其它正常工作驱动腿的传感器和冗余传感器的测量值计算出故障传感器的应测值。推导出了位移和速度传感器故障的容错纠错重构算法。通过模拟渐变型和突变型的传感器故障,对提出的容错纠错方案进行了仿真研究,仿真结果表明提出的容错纠错策略能有效地保障卫星追踪平台系统运行的可靠性和安全性。
     

分布式容错计算机系统在航天器上的应用

计算机容错技术是提高系统可靠性的强有力手段,卫星星上数据管理系统是高可靠性的分布式容错计算机系统,在硬件和软件的设计中,应用了故障检测、故障屏蔽和动态冗余等多种容错技术,本文从理论和工程实践两个方面介绍了各种容错技术在航天器上的应用。     

轨控期间挠性卫星姿控系统的容错控制

卫星在实施轨道控制期间,轨道机动推力会影响卫星的姿态稳定.本文针对存在推力干扰的挠性卫星,研究执行器故障情况下姿控系统的容错控制问题.首先设计一种基于反步自适应变结构的被动客错控制器实现姿态稳定,在此基础上,采用分布式智能部件作为执行器,设计补偿项以更好地抑制挠性结构的振动和常值变形.最后,以轨控期间挠性卫星姿态控制系统的飞轮故障为应用实例进行数值仿真.仿真结果验证了本文所设计的姿态容错控制器的有效性和可行性.     

Fault-tolerant Control Under Constrained Input for Flexible Satellite Attitude Control System during Orbit Control

轨控期间的卫星由于推力器安装偏差,实施推力时会产生较大的干扰力矩,直接影响到卫星姿态稳定.除此,考虑到执行机构提供的力矩是有限的,为保证系统的稳定性,需在设计控制器的过程中考虑输入受限问题.本文针对卫星执行机构故障情况,综合考虑输入受限和干扰问题,提出一种基于输入受限的挠性卫星姿态容错控制策略,并开展了仿真试验,验证了本文设计的姿态容错控制器的有效性.     

共置卫星轨道及星间距确定

共置卫星的遥测遥控，离不开对其每一卫星的轨道及星间距的确定。本文通过地面站顺序测量确定和交替测量确定两种方法来完成三颗共置卫星的轨道参数及星间距的确定。     

基于混合H2H∞的集成故障诊断与容错控制研究

研究了一类线性不确定系统的集成故障诊断与容错控制。针对执行机构和敏感器故障，考虑故障诊断结果的不确定性与系统参数的不确定性，分别采用H2和H∞范数作为系统故障诊断和容错控制的性能指标，设计输出反馈混合H2/H∞控制律，运用线性矩阵不等式（LMI）方法求解集成故障诊断与容错控制问题。最后，建立卫星闭环姿态控制系统对算法进行了仿真验证，仿真结果验证了方法的有效性。     

国外低轨道卫星综述

由于地球低轨道更利于收集情报信息，大多被军事侦察卫星所占有。随着太空军事化趋势的日益增强，了解和认识当前的低轨道卫星较为必要。介绍了典型低轨道卫星的军事作用和运作机理，并给出了当前在轨低轨道卫星的技术参数。最后分析了其发展趋势。     

一种低成本纳卫星星载计算机容错方法

为了提高纳卫星星载计算机系统的可靠性,减少体积、质量及功耗等多方面因素的影响,文章提出了一种软硬件结合的低成本容错设计方法。将星载计算机硬件采用双机冗余冷备份方案,通过现场可编程门阵列(FPGA)对故障处理器进行仲裁切换;软件容错通过错误检测与纠正(EDAC)信息容错技术的实现,对星载计算机整体程序进行纠错检错,以对抗单粒子翻转事件。结果表明:该方法能够对星载计算机系统进行有效的故障切换处理,并降低单粒子事件的不良影响,可以在纳卫星系统中推广应用。     

确定编队卫星相对轨道的容错UKF方法

针对相对轨道测量设备出现连续野值引起的滤波误差偏大及发散问题,提出了基于残差正交性检测的容错UKF算法.介绍了非线性滤波在相对轨道自差确定中发展历程和容错UKF的原理、滤波算法和计算流程.根据测量设备出现连续成片野值时残差序列服从以野值为均值的正态分布这一特性,提出了基于残差正交性进行野值检测的思路,通过加权一个以残差方差的迹为参数的活化函数,构造在线修正的uKF容错滤波器,抑制野值对新息序列正交性的影响.在STK软件设定两颗卫星的轨道根数,生成相对运动的位置和速度,通过坐标变换,加入正态分布的误差和连续野值,构造卫星问距离、仰角和方位角测量值.根据C-W相对运动方程和空间几何建立状态方程和测量方程,编制基于残差正交性检测的容错IJKF.滤波器的相对轨道确定程序.通过仿真计算,评估了连续野值对常规UKF和容错uKF轨道确定算法的影响,证实了容错UKF算法可以完成对连续野值的检测及在线修正功能,有较强的鲁棒性和稳定性,可以应用于工程实践.     

A hybrid attitude controller consisting of electromagnetic torque rods and an active fluid ring

In this paper, a novel hybrid actuation system for satellite attitude stabilization is proposed along with its feasibility analysis. The system considered consists of two magnetic torque rods and one fluid ring to produce the control torque required in the direction in which magnetic torque rods cannot produce torque. A mathematical model of the system dynamics is derived first. Then a controller is developed to stabilize the attitude angles of a satellite equipped with the abovementioned set of actuators. The effect of failure of the fluid ring or a magnetic torque rod is examined as well. It is noted that the case of failure of the magnetic torque rod whose torque is along the pitch axis is the most critical, since the coupling between the roll or yaw motion and the pitch motion is quite weak. The simulation results show that the control system proposed is quite fault tolerant.     

Research on Satellite Fault Diagnostics Technology Based on Combination of Several Methods

According to the different types and characteristics of satellite fault,a kind of fault diagnosis method is proposed,which integrates multivariate threshold,model-based and fault tree-based method.In order to optimize the fault diagnosis method,it takes the advantages and remedy of a defect with other methods.This can diagnose many kinds of satellite fault occurring in the on-orbit phase rapidly and accurately.Besides,it can analyze the damage degree of the failure and establish the measures to eliminate the failure.     

测量不确定的充液航天器自适应鲁棒容错控制

针对三轴稳定充液航天器控制系统中同时存在外部未知干扰,参数不确定,测量不确定和执行器部分失效故障的鲁棒容错姿态机动控制问题进行研究。首先将部分充液贮箱内的晃动液体燃料等效为粘性球摆模型,采用动量矩守恒定律推导出航天器的刚-液耦合动力学方程。然后将变结构控制策略结合范数自适应估计算法设计了自适应鲁棒容错控制器,其中设计的范数自适应控制算法用于有效估计由测量不确定产生的集总扰动的未知上界;自适应估计算法则用于有效估计贮箱内的液体晃动位移变量。提出的控制策略不依赖精确的故障信息,并且在故障信息值不确定的情况下可以实现期望的姿态机动任务。基于Lyapunov稳定性分析方法证明了容错闭环系统状态变量的一致最终有界性。采用数值方法验证了所提控制方法的有效性和鲁棒性。     

一种基于模型预测的火星返回推力器容错控制再分配方法

针对火星返回上升器由于环境等因素造成的推力器故障导致的姿态控制系统失稳而难以安全返回的严重问题，提出基于模型预测的动态容错控制再分配方法。根据推力器动态特性建立上升器推力分配模型，对模型参数误差进行实时估计从而修正分配模型，根据模型预测自适应推力再分配方法实施容错控制。同时，将推力器输出限制作为优化求解器的约束，并将推力器故障模型作为优化求解的约束域，实现最小化分配误差和最小化燃料消耗意义下的最优推力再分配。计算机仿真表明了该方法的可行性和实用性，获得了满意的结果，它能使推力器输出推力误差降低60%以上，姿态控制系统能在故障状态下3～5 s快速镇定。     

考虑执行机构故障的导弹姿态控制系统的集成容错控制

研究了一类发动机十字型布局的导弹姿态控制系统的容错控制问题,提出了一种考虑执行机构故障的导弹姿态控制系统集成容错控制方法。该方法针对执行机构的恒增益变化故障和卡死故障,首先提出了集成容错控制的总体策略,然后分别基于线性矩阵不等式方法和故障补偿思想,给出了在圆盘极点指标和H∞指标两个相容指标约束下的状态反馈满意容错控制器和故障补偿器的设计方法。最后在Matlab/Simulink环境下将该方法应用于导弹姿态控制系统进行仿真实验,结果表明了该方法的有效性和可行性。     

基于快速终端滑模的航天器自适应容错控制

针对存在不确定的执行机构部分失效故障和未知外界扰动的航天器姿态跟踪控制问题,提出了一种基于自适应快速终端滑模控制的容错控制方法。在没有故障检测与诊断信息的情况下,采用快速终端滑模控制原理,利用自适应算法在线估计得到的故障信息,设计具有鲁棒性的容错控制器,使系统在执行机构故障发生时,能在有限时间内以指数收敛,实现系统有限时间渐近稳定,以及对航天器的容错控制和干扰的抑制。仿真结果表明,与基于普通滑模控制器的容错控制相比,该方法在保证系统鲁棒性和可靠性的同时,具有更快的收敛速率,实现执行机构故障时有效的航天器姿态跟踪控制。     

基于故障树模型的航天器故障诊断研究

本文建立了基于故障树模型的航天器故障诊断框架，提出了航天器故障诊断的知识组织和表示方法及相应的推理控制策略，并通过对某卫星能源系统故障实验台的故障诊断验证了方法的正确性。     

双CPU环境下飞行控制软件的设计

本文介绍运载火箭飞行控制软件在双ＣＰＵ冗余硬件配置下的可靠性设计和可靠性指标分配的方法。文中提到的部分技术经过了实验的检验，证明是可行的     

小卫星故障诊断与处理技术

介绍一种简单有效的故障诊断及处理技术，它将小卫星的故障分为分系统级，系统级和系统外部级三种，并由星务管理软件处理系统级故障，在每个循环周期都对遥测参数进行采集和监测，故障发生时，根据故障的优先级，选择并恢复具有最高优先级的故障。该技术在某小卫星中应用，能有效满足系统控制周期的限制和系统可靠性要求。