载人空间站工程测控通信系统挑战和机遇

针对载人空间站工程对测控通信系统提出的更高测控覆盖率、更高可靠性、长时间连续测控、高数据传输速率、多目标同时测控等需求,提出了采用天地基相融合的测控通信模式,构建以中继卫星系统为主的天基测控通信模式,利用"北斗"卫星导航系统实现自主可控的高精度轨道确定,合理布局和调度地面测控站,提升地面站工程遥测码速率和双目标支持能力,实现减站增效。对天地基测控资源进行一体化考虑,实现按需调度,完成空间站持续高可靠测控通信任务。讨论了测控数传一体化发展思路,建设Ka频段测控站,同时实现测控和高速数据传输。基于IP(互联网协议)开展天地一体化设计,提出了网络化测控的思路。     

国际空间站测控通信系统研究

测控通信系统是国际空间站的重要组成部分,可靠的测控通信系统是确保空间站长期稳定在轨运行的基础。对国际空间站测控通信系统进行了较为深入的研究,介绍了国际空间站测控通信系统的组成,梳理了国际空间站中继S系统、中继Ku系统、空空通信系统的链路特性与工作方式,并总结归纳了国际空间站测控通信系统多手段备份、采用高性能编码等特点,以及对我国的启示,能够为我国测控通信系统的发展提供借鉴与参考。     

一种微型载人操作舱系统设计

针对未来载人深空探测任务中太空基地建造、设施在轨加工制造、星体资源抵近勘探和原位利用等复杂舱外操作需求,设计了一种微型载人操作舱系统。首先,根据舱外操作任务开展功能和性能需求分析,确定了微型载人操作舱的供配电、环控生保、测控通信等功能基线;然后进行了结构、能源、环控生保、热控等系统设计;最后,通过仿真分析了重量、功耗和任务时间,并与传统舱外活动装备进行了比较。结果表明,微型载人操作舱总重量小于900 kg,可容纳1名航天员,单次舱外操作时间大于12 h,支持航天员从母体航天器快速进入操作舱执行舱外任务,适用于未来复杂的空间设施建造、资源开发利用和空间站扩展应用任务。     

载人航天器在轨自主健康管理系统体系结构及关键技术探讨

针对载人航天器复杂化、任务多样化、在轨运行长期化的发展趋势,及由此对航天器在轨自主健康管理的能力提出的更迫切的需求,提出了一种在轨自主健康管理系统分层体系结构,并采用Observe-Orient-Decide-Act循环描述健康管理子行为之间的交互模型,可实现准确、高效的自主健康管理。并以空间站系统为例,研究了分层分级的服务部署、分类故障诊断、故障模型配置、基于构件的软件实现等关键技术。     

宽波束中继技术在空间站任务中的应用研究

针对航天器现有窄波束中继终端天线在姿态快速变化及姿态异常条件下提供测控支持的局限性,提出了利用宽波束中继技术提供测控通信支持的方案。基于宽波束中继天线性能、天地链路性能对测控通信支持的影响分析,提出了改善链路性能的优化方案。结合空间站任务载人航天器各阶段测控通信支持的特点,分析了宽波束中继在入轨段、长期运行段和返回段的应用。分析结果表明:宽波束中继可为载人航天器从海南发射场发射时的入轨提供测控支持,也可为载人飞船返回提供测控支持。     

空间站工程海上应急救援保障新模式研究

载人空间站工程阶段,载人飞船发射任务呈现出高频度、常态化的特点,对上升段海上应急救援提出了新的要求。通过对国内外载人飞船海上应急搜救的现状分析,设计并提出了我国空间站工程海上应急救援保障新模式：在组织实施上,将交通运输部救捞系统纳入载人航天任务指挥系统,实现快速的应急响应和平战转换;在装备保障上,返回舱打捞、搜索定位、医疗救护系统、通信系统与船舶平台一体化设计,核心装备随船使用,尽量做到不拆不卸。最后,对现有模式和新模式进行了综合效益比较。     

一种大型载人航天器的情景照明系统设计

现阶段航天器照明系统主要以满足工作照明需求为目的,并未充分考虑航天员长期在轨的生理和心理因素。针对这一问题,提出了一种可以应用于空间站舱内LED情景照明系统方案。从总体方案、场景模式、光源和控制、通信及软件框架进行了方案设计及阐述,并对方案进行了试验验证。初步结果表明,该情景照明系统更加符合人体生理和心理需求,能够实现远程控制,有望提高航天员在轨舒适度,提高空间站任务效能。     

空间站运营任务安全性评估工作研究

针对空间站运营管理中保证航天员和平台安全的需求,介绍了国际空间站安全性工作组织架构和工程活动实施经验,从我国空间站在轨寿命长、在轨任务多、安全性要求高等特点出发,从与人机工效相关的安全性工作、有效载荷安全性认定、以安全性为中心的维修、风险量化分析与控制、建立运营任务安全性规范体系五个方面提出了空间站运营任务的安全性评估工作思路,可以为我国空间站工程安全性技术体系的建立提供借鉴和参考。     

美国航天飞机的通信与测控

航天飞机是具有空间飞行器和飞机特性,可重复使用的一种空地运输工具,它是美国八十年代初开始试飞的新型载人航天任务。整个任务期间,要经历动态环境差异极大的发射入轨、在轨飞行、会合对接和返回着陆等阶段,因而对其的通信与测控也显得十分复杂。本文说明了这些特点,并分阶段介绍了航天飞机任务对通信测控的要求,以及实现这些要求所采用的各种通信、测控和导航手段。最后简要地介绍了参与航天飞机通信测控的现有和未来的各系统以及有关的各航天中心。     

我国空间站工程量化风险评价工作探讨

为适应我国载人航天任务的新特点,有效支持空间站量化风险评价工作,调研了美国国家航空航天局（NASA）载人登月、国际空间站、航天飞机等载人航天项目的概率风险评价（PRA）工作,对比分析了PRA方法在不同载人航天项目中的应用效果。在此基础上,针对我国空间站工程的特点,初步提出了基于PRA的空间站工程量化风险评价方案与工作思路,对该方法在我国空间站实施所存在的问题进行了分析,并在方法规范、数据收集等方面提出了工作建议,为我国空间站量化风险评估工作提供技术支持。     

交会对接任务天基双目标测控通信设计

针对交会对接任务对测控通信提出的高覆盖率和双目标测控等需求的问题,分析2颗中继卫星能够提供的覆盖率,设计双目标测控工作模式以及天地协同机制,计算中继链路的性能,分析表明,天基测控可提供约72%的测控覆盖率,能够支持双目标测控,链路余量满足要求;统计了任务中关键段落的测控通信工作情况,分析结果和实际任务情况验证了天基测控在交会对接任务测控通信中的重要作用;最后提出后续任务改进和完善的建议。     

典型载人航天器密封舱结构空间碎片高速撞击声发射定位技术研究

空间站等大型载人航天器因体积大、在轨时间长容易受到空间碎片撞击,作为应对措施,人们提出利用空间碎片在轨感知系统实时监测撞击事件,撞击点定位是在轨感知系统的基本任务之一。为此,本文首先测量了加筋板内s0波波速,根据波速变化规律提出名义波速的概念,在此基础上将虚拟波阵面法推广用于载人密封舱结构,实现对空间碎片撞击事件的精确定位。最后,分别进行了碎片云高速撞击周期性加筋板和空间站小柱段舱壁枪击定位试验,试验结果表明:可将密封舱内声发射信号传播速度视为定值即"名义波速",在此基础上虚拟波阵面法可推广用于密封舱结构。     

面向突发任务的空间站任务重规划方法

针对空间站在轨运营出现突发任务的情况,提出一种基于启发式规则的任务重规划方法,满足了方案重规划的快速响应需求。根据任务执行的连续性特点和冲突状态,建立了空间站突发任务规划领域模型。考虑重规划过程中任务包含活动间复杂约束关系传播的影响,提出了时间回溯迭代冲突化解策略,同时依据任务执行时间间隔,提出针对间隔插空的时间冗余启发式规则。基于时间回溯迭代冲突化解策略和时间冗余启发式规则,对原任务执行计划进行实时重规划,实现了突发任务的快速响应。应用算例分析表明,提出的重规划方法可以成功地满足空间站突发任务规划需求,实现实时更新空间站在轨任务执行详单的目的。     

多航天器交会下天地通信工作模式探讨

针对中国空间站工程航天器交会对接任务中,地面与多航天器同时进行天地话音和图像通信的潜在需求,分析TDRSS（TrackingandDataRelaySatelliteSystem,跟踪与数据中继卫星系统）、USB（UnifiedSBand,统一S频段）测控通信系统及天地通信中心系统支持多目标同时通信的技术原理,提出天地通信系统在双目标、三目标同时跟踪时的工作模式,介绍天地通信系统仿真验证体系,并重点阐述天地通信中心如何采用环回和回放数据文件的仿真方法验证系统对多目标的支持,由此表明天地通信系统具备同时与多航天器进行通信的能力。探讨的结果对工程和实际应用具有参考和借鉴价值。     

用户星中继终端在轨应用策略

在介绍在轨用户星中继终端的分类、功能和使用现状的基础上,重点对用户星中继终端多约束条件进行了梳理分析。为缓解常态化应急测控带来的资源紧张矛盾,提出了用户星中继终端在轨应用策略,即Ka/S模式下影随测控,小S模式下定时捕获。针对Ka+小S模式下实现影随测控的可行性问题,利用STK(Satellite Tool Kit,卫星开发工具包)软件进行了仿真计算分析,结果表明:为实现影随测控,满足测控快速响应需要,要求星载S频段中继测控天线对中继卫星的覆盖范围,应大于星载中继数传天线对中继卫星的覆盖范围。     

航天任务控制中心容灾模式研究

航天任务是一项高投入、高风险的活动,作为管理所有在轨飞行航天器及资源的航天任务控制中心,要求具备很高的可靠性与较强的容灾能力。国际航天大国对地面系统,特别是任务中心级的备份均非常重视,也开展了相关建设和系统运行。在对我国航天任务控制中心容灾模式进行探讨的基础上,提出容灾中心的技术要素、需求分析以及运行机制。     

空间站舱内飞行器总体设计及试验方案研究

针对我国对能在空间站内部运动、完成飞行试验与在轨服务任务的舱内飞行器的研制需求,设计了一种舱内飞行器总体方案,提出了关键指标要求及子系统层级的舱内飞行器实现方案。在此基础上,对飞行器各系统包括结构、电源、综合电子、通信、GNC等进行了设计与校核。最后,对舱内飞行器的在轨算法试验和地面测试仿真方案进行了分析与设计。方案可行性通过舱内自主交会数值仿真得到了验证。     

航天测控系统容灾模式探讨

针对航天测控系统容灾备份问题,对系统容灾结构和容灾模式进行了探讨,提出了完整的容灾系统运行模式体系,包括软硬件备份模式、人员备份模式、灾备切换模式、返向数据传输模式、前向信息使用模式、承担任务模式,并逐一进行了特点分析和比较。分析结果表明,在关键任务阶段,容灾备份系统宜采用软硬件热备、返向数据广播、灵活切换、人员常驻的模式运行;在一般任务阶段,宜采用软硬件冷备、返向数据转发、固定切换、人员转场等模式运行。这可为我国航天测控系统容灾方案设计和系统建设提供支持。     

基于任务弧段的测控通信任务可靠性建模方法

基于对任务的弧段划分,建立了测控通信任务的可靠性模型.根据任务执行时序图,参与任务的测控通信资源及任务成败标准,将测控通信任务划分为不同的任务弧段,定义了正常任务弧段和空闲任务弧段,基于Markov过程,提出了正常任务弧段和空闲任务弧段的可靠性建模方法.提出了在考虑测控通信资源的开机准备时间和停机时间的情况下的可靠性建模方法,对测控通信任务重新划分任务弧段,各任务弧段依据相应方法单独建立模型,依次求解各模型可得整个任务的可靠性.最后以具体的测控通信任务为例,计算并分析了不考虑资源开机准备时间和停机时间、仅考虑资源开机准备时间、仅考虑资源停机时间以及考虑资源开机准备时间和停机时间的任务可靠性,验证了模型的正确性.      

基于工作流技术的测控信息会签系统设计

为了解决地面测控中心采用纸质方式会签测控信息工作量大、效率低、多航天器支持能力差的问题,论述了测控信息会签系统的设计方法、实施效果。通过分析载人航天测控信息会签的需求和特点,采用工作流技术对测控数据处理过程进行阶段划分和抽象建模,设计用户、岗位和任务的多对多映射方式,规划层次化的会签流程模板,实施会签流程多层次复用和动态组装,构建基于B/S(Browser/Server,浏览器/服务器)模式跨平台的系统架构,以数据库实时同步为基础,建立对称的实时热备工作模式,设计多任务通用的数据库结构,实现了测控信息的在线会签。实际应用表明,基于工作流技术的在线会签系统大幅缩短了测控数据处理周期,提高了航天器上行控制效率,有较高的推广价值。