航天器综合电子系统在轨重构容错技术研究

重构容错技术是指利用可重用的软硬件资源,根据不同的任务需求或故障情况进行重新配置,从而可以实现在轨升级或故障修复。文章在介绍重构容错技术的基础上,以NASA的SpaceCube处理器和BittWare公司的重构处理器为典型案例,阐述了其系统构架、重构容错设计和应用情况,总结分析了航天器综合电子系统重构容错技术的优势,如减少系统的冗余和备份,降低制造和修复成本,实现系统内部局部故障的自修复等。借鉴国外重构容错技术的发展和应用,总结出国内航天器综合电子系统重构容错技术应用存在的问题,如缺乏标准化的功能模块设计、在轨故障诊断精度较低等,并提出应开展在轨重构需求分析,以及功能模块化和可重构性的方案设计等建议,可为国内航天器综合电子系统的在轨重构容错设计及相关研究工作提供参考。     

基于FPGA架构的高可靠在轨重构系统设计

航天设备与地面设备相比,制造成本高,对空间环境的适应性要求也高。为了延长航天器寿命,提高其在轨工作的可靠性,需要考虑航天器在空间环境下的可维护性需求。针对航天资产在轨软件实现功能维护的需求,研究空间环境应用背景下的高可靠在轨可重构技术。基于FPGA芯片在航天器领域中应用的广泛性、灵活性及可靠性,设计了一种FPGA架构下的高可靠在轨重构系统。该系统的优势在于充分利用星载设备中普遍使用的“SRAM型FPGA+反熔丝FPGA”的硬件架构,在实现SRAM型FPGA动态刷新功能的基础上仅通过软件更改来增加在轨重构功能,极大降低了硬件更改的成本,扩展了可重构功能的应用范围。在某航天器星载设备中应用该在轨重构系统,通过实际飞行经历,验证了该架构系统设计方案的可行性、可扩展性及可靠性。     

低轨卫星可重构通信系统设计

提出一种适合于在轨重构的低轨卫星通信系统软、硬件架构方案,从工程实施角 度探讨包括天线、RF前端和基带处理单元在内的可重构硬件平台、可重构策略与软件控制流 的可行性,分析了可重构卫星通信系统实现的关键技术。利用软件无线电技术,分析了基带 和射频前端分离,可裁减、复用式平台实现的基本路径,以及基带、射频天线单元重构的实 现方法。通过各常规通信模式射频前端和数字部分的灵活组合,同时支持多频点、多模式的 通信制式,达到节省硬件成本和提高系统灵活性的目的。最后研制了一个可重构卫星通信地 面测试原理样机,模拟了卫星有效载荷和地面通信站在IS-95体制下两种CDMA加密码字间的 动态重构,有效验证了本文提出的可重构策略的正确性与合理性。
     

国产化测控系统可重构软件平台设计与实现

软件平台是国产化测控产品体系建设系列平台的重要组成部分。首先介绍基础软硬件平台和测控系统软件需求,然后针对这些需求和约束,说明测控系统软件平台的体系架构,并针对关键功能的实现进行了详细介绍。国产化测控系统可重构软件平台采用对象共享、标准接口、远程调用等技术,满足测控系统分布式需求,同时通过应用程序配置、动态加载、软件总线、标准接口及设备配置管理实现系统重构,为测控系统动态重组提供了支撑。可重构软件平台的成功研制推动了测控系统国产化的进展。     

空间飞行器自主诊断重构的理论和方法

面向我国深空探测任务对空间飞行器安全可靠自主运行提出的迫切需求，研究了空间飞行器自主诊断重构技术。针对空间飞行器诊断重构能力确定于设计之初、受制于有限资源等特点，提出了着力于系统评价设计过程的自主诊断重构方法。首先，分析了国内外研究现状并梳理了后续的待突破难点。其次，以可诊断性与可重构性理论为指导，提出了正常模式与故障模式一体化设计方法、故障诊断与系统重构一体化设计方法，在设计阶段通过资源配置和诊断重构方案的综合优化实现系统诊断重构能力最大化。然后，提出了基于能力在轨评估的诊断重构方案动态调整方法，在运行阶段通过诊断重构过程的自适应调整保持系统最优状态，进而从全寿命周期提升系统的诊断重构能力。最后，进行了总结与展望。     

基于软件定义的航天器分布式电源系统设计

针对电源系统架构灵活性的需求,提出了一种基于软件定义智能功率单元的可重构航天器分布式电源系统设计。给出了系统的分布式架构,采用了一种可软件定义的标准功率单元实现所有发电单元、储能单元的分布式接入。智能功率单元可以通过星载计算机软件定义工作模式,满足不同单元的接入需求。通过搭建分布式电源系统仿真模型,对不同故障情况进行了验证,结果表明:分布式电源系统的可重构控制策略,实现了电源系统高可靠运行。最后,对提出电源系统设计的优势进行了总结。     

模块化可重构空间系统研究

模块化可重构空间系统由多个外形尺寸相同的模块组成,具有组织方式灵活、维修操作方便、适应性强等优点,可有效提高空间系统的可维修性,降低空间系统建设成本,满足空间应用的多任务需求。文章对国外模块化可重构空间系统的发展情况进行了介绍,如日本"可重构空间系统"(RSS)、应用"超级机器人"(SuperBot)和应用卫星模块(Satlet)的美国模块化可重构空间系统。针对我国模块化可重构空间系统的发展,建议首先发展模块化异构系统,采用分布式与集中式相结合的控制方法。     

首都航天机械公司集成制造系统顶层设计(制造单元系列之一)

针对首都航天机械公司(以下简称首航公司)研制生产中的“瓶颈”问题与国外先进制造企业进行了充分的对比,确定了“制造模式变革与数字化技术支撑”为首航公司集成制造系统顶层设计的核心内容,以制造单元、批生产线和数字化支撑为主线,介绍了首航公司集成制造系统顶层设计的基本情况。     

空间站电源系统信息管理软件重构方案

针对空间站电源系统内部多个单机与其他系统进行多总线通信,实现系统内外之间数据交换的复杂信息管理需求,同时考虑到软件的可靠性和继承性,设计采用架构重构和代码重构的空间站电源系统信息管理软件,具有多任务处理实时性高的特征,能实现传统电源下位机软件代码复用,提高代码复用率。另外,通过设计基于多级静态优先级的任务调度模块,实现多总线数据流的合理通信和多任务的有效处理。文章提出的软件重构方案在空间站电源系统信息管理软件中进行应用,实现了38.47%的软件代码复用率,实时性任务的响应率提高了44.48%,可有效满足空间站电源系统的信息管理任务需求。     

基于FPGA的小卫星通信系统在轨可重构技术研究

小卫星未来在轨任务呈多样化和复杂化发展趋势,可重构技术可以解决小卫星处理能力不足和系统不能灵活扩展的问题。具备可重构功能的小卫星平台可以根据星上的工作状态和当前工作环境重新配置当前设备的工作模式,以适应复杂的空间环境和特殊的空间任务需求。提出一种基于FPGA的小卫星通信系统在轨可重构方案,包括数字基带和射频前端模块的可重构设计。通过FPGA控制加载不同配置文件或者通过卫星上行通道上注加载文件等方式实现功能重构,同时监控小卫星的工作状态,使得小卫星通信系统能够针对不同的航天任务或任务的不同阶段采用不同的通信模式,实现小卫星多功能的灵活扩展。     

基于CPLD的高速可重构PCM帧同步器的实现

给出一种基于 CPL D的高速可重构帧同步器的设计思路和实现方法 ,探讨如何提高系统速度及其可靠性。既采用数字化相关检测技术和可容错的校验保护技术 ,又采用系统内在线可编程 ISP(In- System Programm ing)技术和提高系统速度的流水线技术 ,综合高速 PCI总线接口设计 ,完成了在线可重新配置的高速帧同步器的实现     

推力矢量导弹升降舵卡死故障的自修复控制

研究了气动力／推力矢量复合控制导弹发生故障后的直接自修复飞行控制系统设计问 题。结合舵面的功能冗余及推力发动机推力冗余对导弹的结构故障进行功能重构,在控制律 重构的过程中不需要知道确切的故障信息。自修复过程采用模型跟随的方法,在保持基本控 制律不变的前提下,利用实际模型和参考模型的状态误差构造自修复输入向量。得到的自修 复控制律适用于导弹的各种结构性故障（舵面卡死、缺损、浮松等）。以导弹发生左升降舵 卡死故障为例,严格证明了该自修复控制律对导弹升降舵卡死故障的修复能力,最后通过仿 真验证了该直接自修复控制律的有效性。
     

载人航天器的可重构式控温回路系统设计

文章提出了载人航天器的可重构式控温回路系统,它由独立的中低温内外回路系统组成,可改善低温内回路由于控温点温度较低而对辐射器散热能力带来的影响,还可在某个外回路辐射器故障时进行系统重构,维持回路功能。建立了控温回路系统非稳态仿真分析模型,对正常工作模式下和某外回路故障工作模式下各舱回路控温点温度、设备温度、流量分配和载人航天器热负荷水平进行了分析。结果表明,双外回路系统比单外回路系统散热能力高27%。当双外回路中某回路故障时,通过系统重构,外回路系统可维持1850W散热能力,能保障载人航天器平台安全,表明可重构式控温回路系统能提高系统可靠性。     

一种用于频率可重构超宽带天线的改进的nABD测向算法

测向系统对于频带宽度、测角精度及测向范围等方面有着较高的要求。针对这一问题,对于接收天线的频率响应、阻抗带宽特性进行了可重构设计,以达到测向系统对宽频带的要求。同时,在所设计天线元方向特性的基础上,对传统的比幅测向算法nABD进行研究,给出相应的天线元加权系数调整方法,以获得较优的测角精度和测向范围。由仿真结果可知,所设计天线具有较好的工作频率范围与可重构阻带特性,所提测向算法可以获得较高的角度分辨率和较大的测向范围。     

制造成熟度及其在我国航天的应用研究

介绍了美国国防部在采办项目管理中使用的制造成熟度(MRL)方法,分析了MRL对提升我国航天制造能力和改进制造风险管理的应用价值,论述了MRL与技术成熟度(TRL)、产品成熟度的关联关系及其主要针对大批量生产的理论局限性;面向我国航天制造类型多样、制造难度大与批产难度高兼具的特点,提出了我国航天MRL等级定义和评价方法;总结了在我国航天领域开展MRL研究,进行试点应用,建立评估规范和制造成熟度提升机制的建议。     

一种可兼容多型号运载火箭的可重构式活动发射平台（英文）

A launch pad is an important part of the launch vehicle system. It bears the weight of launch vehicles and payloads, and is burnt due to the high-temperature and high-pressure gas flow during launch. This study analyzes the development of launch pads in the world, reviews a reconfigurable mobile launch pad for multiple launchers, then proposes common points and development trends of future launch pads in the world.     

Reconfigurability in planetary surface vehicles

Traditionally, space systems have been built for fixed requirements and optimized for highest performance. Future systems for human exploration of Moon and Mars, however, require focus on new architectural strategies geared towards increased affordability and survivability in addition to performance. Reconfigurability is a new paradigm in system design that enhances these qualities. Reconfigurable systems can attain different states with new or modified capabilities, as required with changing needs, over time. Such systems can lower mission costs through mass savings by efficient use of a fixed set of hardware for multiple functions. Their survivability is improved through their ability to reconfigure into different states so that some level of over-all functionality is retained. This study, with a focus on planetary surface vehicles, presents a methodology for determining optimal designs of reconfigurable systems. It also proposes metrics for assessing the impact of reconfigurability. It is found that for the specific scenario considered, the mass utilization efficiency in a fleet of reconfigurable vehicles is increased by 27% while the survivability can be increased by a factor of 3.     

概念设计中可重构航天器动特性快速预示方法

为解决概念设计中可重构航天器结构动特性快速评估问题，考虑接触、摩擦等因素影响，提出一种动特性快速预示方法。该方法针对典型可重构航天器特点，处理流程包括动特性分析与辨识、基于虚拟材料的模型等效及等效参数估计，实现了精细化模型的等效替代。仿真校验中，利用本文方法对构型设计方案进行了预示，在所得结果能较为准确反映结构动特性的前提下，有效提高了分析效率。该方法能够保障可重构航天器概念设计工作，并为构型方案的设计迭代与优化提供实现基础。