航天器时态规划技术研究进展

结合航天器自主运行的迫切需求,阐述了航天器任务规划问题给智能规划技术带来的挑战,并重点分析了具有时间属性的规划方法研究必要性。给出航天器时态规划定义,分别总结了状态空间时态规划建模方法和基于时间线的时态规划建模方法,并给出时态规划知识模型关键元素定义。根据规划方法发展现状,归纳总结前向链、模型转换、规划空间规划和分层任务网络四种方法在时态规划技术方面的特点和研究进展,着重描述各种方法对规划中时间要素的处理。在对目前的航天器时态规划技术发展趋势总结分析基础上,给出了未来航天器时态规划技术的发展建议。     

航天器姿态机动规划技术研究进展

以航天器多约束姿态控制为背景,围绕姿态机动路径的复杂约束处理问题,对姿态机动规划技术的规划模型、方法研究现状与未来发展趋势进行了论述、分析与归纳。首先介绍了航天器姿态机动规划模型,随后梳理并总结了航天器姿态机动规划技术发展历程及现状,从方法逻辑、设计思想等方面对姿态机动规划方法进行分类和关键技术分析,进一步根据技术发展脉络和未来航天任务需求,提出了航天器姿态机动规划技术的若干发展趋势。     

航天器自主运行技术的进展

阐述了航天器自主运行的概念、目标和任务。对自主运行和传统测控方式进行了比较。最后重点介绍了航天器自主运行技术的进展情况。文章分4个部分介绍自主运行技术。首先介绍了2种自主运行体系结构，它们是自主运行各种功能集成的基础。第2部分介绍了2种智能规划与调度技术。第3部分介绍了基于模型的故障诊断与系统重构技术。第4部分介绍了有效载荷数据自主处理的进展情况。最后进行了总结并介绍了与自主运行相关的其他技术。     

基于自主规划的载人航天器飞行程序设计

针对航天器飞控任务中因飞行程序的准确、实时需求,对地面人力、物力和测控资源强依赖的现状,提出基于自主规划的载人航天器飞行程序设计方法,并设计了飞行程序自主规划系统。自主规划系统由测控覆盖计算模块、知识配置模块和规划调度模块组成,测控覆盖计算模块自主生成进出测控区的程序,知识配置模块对指令约束条件等航天器模型进行描述,规划调度模块以约束条件传递的方式规划任务程序,实现不依赖地面的自主飞行程序设计。通过建立自主规划系统与控制等分系统之间的信息交互,可有效解决飞行程序与控制的协同问题,并实现不依赖于测控资源的紧急故障处理。     

空间站机械臂任务规划方法

任务规划技术是航天任务执行过程中的核心关键技术,针对空间站机械臂的外自主行为受限、行为多样、分支众多,存在多类型约束以及多资源条件限制等特点,对空间站机械臂任务规划方法进行研究。对任务需求进行分析形成月事件,地面工程师给出将任务分解为子任务的建议,将月事件分解为具有逻辑关系的飞控事件,飞控事件集合描述了航天器不同的行为及不同模式下的行为,每一个模式下的飞控事件由控制动作或控制动作序列构成,建立了分层规划对象模型。同时,构建状态空间集合描述时变的器上状态和状态值,在飞控事件层和控制动作序列层建立状态推理模型。采用多约束逻辑表达式对联合约束进行描述,将运动飞控事件进行归一化设计。在时间的调度和资源条件限制下在规划器中进行迭代求解,生成地面控制动作序列,实现任务目标并用于任务实施。在空间站机械臂在轨任务中验证了该方法的正确性和高效性。     

“多对多”模式下GEO卫星在轨加注任务规划

随着在轨服务技术的发展和对航天器发射运营成本的控制，航天器在轨服务模式将由“一对一”服务逐步发展为“一对多”“多对多”的服务模式。在具有多个服务目标的模式下，针对服务航天器的任务分配与规划将变得尤为关键。因此，本文研究了多服务航天器为多个地球同步轨道(GEO)卫星进行在轨加注的任务规划问题。首先，考虑服务航天器容量约束、服务路径约束等多类约束条件，以最小化燃料消耗为优化指标，以每个服务航天器的服务顺序为决策变量，建立“多对多”在轨加注任务规划模型。其次，针对遗传算法局部搜索能力差、易陷入局部最优的缺陷，设计了一种将大邻域搜索算法和遗传算法相结合的混合启发式算法(LNS-GA)，用以求解该任务规划问题。该算法利用大邻域搜索算法中的“破坏”和“修复”思想，对遗传算法每一代种群中的精英个体进行进一步的迭代搜索，从而增强算法的局部搜索能力。最后，通过设定的仿真场景与单一遗传算法进行仿真对比，验证了本文所提出算法的有效性和优越性。     

混合空间目标下的多航天器抵近观测任务规划

研究了服务航天器对多个空间目标的抵近观测任务规划问题,并考虑了高价值航天器、普通航天器以及失效航天器或空间碎片3类待观测目标。通过构建合理的评价体系,对目标观测的任务方案进行评分。建立了综合观测目标数量、观测目标类型、燃料消耗、单次点火速度增量以及任务时长的多约束优化模型,涉及的优化变量包括目标分配向量、观测次序向量以及观测时刻向量。服务航天器通过一种四脉冲机动策略抵近每个目标。采用进化算法求解规划问题,并提出一种基于动态规划（DP）的局部搜索策略以优化观测时刻,提升优化效率。最后分别给出了针对单一类型和混合类型空间目标的抵近观测任务规划算例,通过与传统进化算法的求解结果对比,说明了所提出的DP搜索策略的优势。     

面向GEO目标的快速在线在轨服务任务规划

针对地球同步轨道多对多在轨服务任务规划问题,提出了一种基于拍卖算法和先验知识的改进启发式拍卖算法(IHAA)。首先,建立了基于Lambert变轨的任务规划问题表征,设计了给定变轨时长约束下的快速燃料最优估计策略。其次,针对考虑J 2摄动影响的航天器在轨服务规划问题,提出了一种基于拍卖算法的快速求解流程。其中,为确定每一轮拍卖算法任务列表,提出了基于变轨先验知识的目标优先级排序启发式策略,实现了快速的服务时序确定方法;此外,为减少因部分航天器服务能力低导致的分配失败情况,设计了一种基于失败任务再分配的重拍机制。最后,将所提算法与遗传算法、模拟退火算法进行了对比,结果表明IHAA可以快速给出相对适应度较高的规划结果,可用于突发事件星上在线自主规划,亦可提供优化算法初值以提升规划效率。     

航天器资源约束的时间拓扑排序处理方法

针对航天器自主任务规划中的资源受限、约束复杂、活动并行等问题,提出了基于时间拓扑排序的航天器资源计算方法。考虑规划结果中资源产生及消耗,采用资源约束网络模型表示规划中动作的资源需求。通过分析资源变化与动作执行时间的关系,在资源处理过程中对资源约束网络的资源突变时刻进行拓扑排序,优化了流量推进路径的选择过程,时间复杂度为O(n 2 )。数值仿真结果表明,算法提高了规划过程中资源处理的效率。     

深空探测器的自主运行技术研究

综述了深空探测器自主运行技术发展的现状,分析了实现深空探测器自主运行的关键技术,主要包括自主任务规划技术、自主导航技术、自主故障诊断与重构技术,以及支撑实现上述功能的航天器智能信息技术。然后,重点介绍了这四方面技术的发展现状及面临的主要技术问题。最后,结合深空探测后续任务实施和技术发展需求,提出了未来深空探测器自主运行技术发展的几点建议。     

期望状态序列导向的深空探测器规划修复方法

Aiming at the challenges caused by the persistence, concurrency and energy consumption of probe actions, a plan repair method of deep space probe based on the expected state sequence is proposed. In this method, the expected state sequence is formed of the expected effect of the unfinished action and the expected precondition of the unexecuted action in the pre designed plan, according to the execution status of the action. The expected state sequence is an ordered set of states with mixed logic and energy, providing subgoals for plan repair and also transforming the plan repair problem into the state transition path searching problem. During the search, the plan repair strategy with energy supply priority is proposed, which separates the logic repair from energy repair to reduce the difficulty of solving the problem. And this method enables the probe to recover from plan failure autonomously. Finally, the effectiveness and rationality of the proposed method are verified through simulation by taking the Mars Orbiter as an example.     

非合作空间目标自主交会凸优化制导技术

为解决非合作空间目标机动、自旋、章动等动态特性对自主交会过程带来的困难和挑战，在某飞行器姿轨控一体化推进系统配置的基础上，充分考虑各类约束后构建标准的凸优化自主交会数学模型；着重分析了非合作目标动态特性对制导误差的影响，设计相应的修正策略；以原始对偶内点法作为核心求解器，设计了具备状态预测和更新能力的制导算法；数学仿真验算表明，该方法合理可行，克服了动态特性造成的接近轨迹偏差，良好地适应了非合作交会任务。     

Mars Express spacecraft: design and development solutions for affordable planetary missions

The spacecraft designed to support the ESA Mars Express mission and its science payloads is customized around an existing avionics well suited to environmental and operational constraints of deep-space interplanetary missions. The reuse of the avionics initially developed for the Rosetta cometary program thanks to an adequate ESA cornerstone program budget paves the way for affordable planetary missions.The costs and schedule benefits inherited from reuse of up-to-date avionics solutions validated in the frame of other programs allows to focus design and development efforts of a new mission over the specific areas which requires customization, such as spacecraft configuration and payload resources. This design approach, combined with the implementation of innovative development and management solutions have enabled to provide the Mars Express mission with an highly capable spacecraft for a remarkably low cost. The different spacecraft subsystems are all based on adequate design solutions. The development plan ensures an exhaustive spacecraft verification in order to perform the mission at minimum risk. New management schemes contribute to maintain the mission within its limited funding.Experience and heritage gained on this program will allow industry to propose to Scientists and Agencies high performance, low-cost solutions for the ambitious Mars Exploration Program of the forthcoming decade.     

“天宫一号”目标飞行器系统级自主安全设计

为确保载人飞行器在长期飞行中的设备安全以及短期飞行中航天员的安全,需要从系统层面进行自主安全设计,使航天器在出现地面无法快速反应的故障时能够启动安全模式进行自我保护。文章以能源安全设计为主对“天宫一号”目标飞行器系统级自主安全设计进行了论述,总结了设计经验,对后续型号的设计提出了建议。     

地月平动点拟周期轨道探测器自主导航方法研究

地月L2点的拟周期轨道可以用于实现与月球背面的持续通信,具有重要的科学研究价值和广阔的应用前景。针对地月L2点探测器所处的弱稳定拟周期轨道,论证了基于日地月信息的自主导航方法的可行性,并进行了深入分析。首先,推导了会合坐标系下带有星历的精确导航动力学方程;其次,针对弱稳定轨道不同于近地强稳定轨道的特性,在基于日地月方位信息导航的基础上,提出了三种敏感器组合方案。使用迭代最小二乘方法给出导航仿真结果,并结合非线性可辨识性理论对这三种情况下历元状态的可辨识性及可辨识度进行分析。最后,仿真结果表明,使用日地月敏感器以及对地多普勒雷达可以满足历元状态的可辨识性、导航的收敛性以及系统经济性的要求。     

一种基于信息融合的深空巡航段自主导航算法

针对自主光学导航在深空巡航段应用中的问题,提出了一种基于信息融合的自主导航算法。由太阳敏感器测量获得太阳相对探测器的视线矢量,由分光计测量获得探测器相对太阳的径向速度,构建自主导航系统的两种信息观测方程;由基于状态估计误差协方差阵奇异值动态确定信息分配因子,用信息融合技术和扩展卡尔曼滤波算法实时估计探测器的位置与速度。对深度撞击任务的实际飞行数据的数值仿真结果表明:自主导航算法的轨道确定精度满足深空巡航段要求。     

考虑时间因素的敏捷自主航天器四维姿态运动规划方法研究

为解决敏捷自主航天器在轨灵巧、精确姿态运动问题,针对复杂空间环境与其自身运动特点,提出了基于改进的快速搜索随机树的四维姿态运动规划方法。仿真算例检验了该规划方法的有效性,结果表明它不仅满足敏捷自主航天器在一定约束条件下指定时间到达指定地点的四维运动要求,而且对四维姿态运动离线与在线规划两种模式也具备较强的适应性。