卫星轨道服务系统的发展与应用前景

1 引言 □□根据美国国防部高级研究计划局的合同,由波音公司牵头的研制团队,正在加快研制称为"轨道快车"(Orbital Express)的自主机器人卫星轨道服务系统.2006年9月将发射验证系统,2010年部署实用操作系统,构成在轨加注燃料、维修和卫星升级等置换卫星部件能力.加注燃料能延长卫星寿命,增加发射裕度,提高卫星机动性.利用设计成轨道置换单元(ORU)的硬件包在轨置换部件,使在轨卫星能得到维修或升级.验证卫星的主要任务是验证轨道交会和接近操作、软件捕获、标准接口、机器人、流体加注器和轨道置换单元的置换器功效.经过验证和对用户需求调查,最终实用系统的服务范围将有一定规模的扩大.     

航天器动力学特性参数在轨辨识技术

从结构模态参数的可识别性出发,结合结构自由响应识别技术和数字处理技术,开发出大型航天器动力学特征参数在轨辨识系统,包括硬件系统和软件系统,其中软件系统由C+ +和汇编语言组合编写,系统各部分均模块化,可适用于较复杂的工程任务.在此基础上设计了模拟在轨航天器的试验验证系统,检验辨识算法和设计软件的可靠性以及航天器在轨辨识的实时性.该试验系统包括一个对称的双梁结构,利用对称结构的弱耦合可得到多个密集模态,该结构可模拟大型航天器在太空失重条件下所特有的动力学特征.试验表明系统辨识算法可靠,精度达到设计要求.     

基于在轨组装维护的模块化深空探测器技术进展与应用研究

在轨组装与维护是航天器在轨服务技术的基本内容,而模块化设计则是实现航天器在轨组装与维护的一项主要支撑技术。调研总结了国外深空探测领域模块化航天器设计以及在轨组装与在轨维护实施的技术进展,主要包括模块化地外行星着陆探测器、大型在轨组装深空探测器、布置于SEL2(Sun-Earth Libration 2)等轨道的超大型在轨组装空间望远镜系统等,分析了深空探测器领域应用模块化设计实现在轨组装与维护的关键技术要素。针对深空探测航天器长寿命、高可靠、特殊推进系统及其设备配套等技术特点与需求,提出一种应用在轨组装与维护技术的火星多任务探测器系统设想,介绍了探测器系统的任务架构、基本组成、轨道策略等,为我国深空探测技术发展以及新型深空探测器研制提供参考。     

基于数据表的载荷管理软件在轨工作自主控制设计

目前有效载荷在轨工作呈现多样化的趋势，为更好地适应这种多样化的任务，设计了一种在轨工作自主控制方案。该方案对多个型号的软件需求进行归纳整理和统筹分析，对在轨工作自主控制进行模块和功能划分，解决了多个载荷管理软件在轨工作控制需求差异化带来的多样化、定制化问题。通过引入可配置设计思路，建立数据表对载荷工作流程进行配置，解决了对特定载荷在轨工作流程的适配性问题，可实现多载荷多任务的在轨工作自主控制功能。该方法已在多个型号卫星的载荷管理器上使用，满足载荷单元工作流程多样化的要求。软件的重复使用不仅大大提高了软件设计和测试阶段的时间，缩短软件研制周期，还可以降低软件开发成本，并且提高软件整个研制阶段的可靠性。      

基于DSP平台的航天器软件在轨维护实现方法研究

DSP(数字信号处理器)在空间领域的应用越来越广泛,面对复杂的空间环境和长时间可靠运行的要求,基于DSP处理器平台的航天器软件,其在轨维护能力成为了一个迫切需要解决的问题.设计一种DSP软件的航天器在轨动态维护方案,并提出两种在轨注入指令码的生成方法.该在轨维部方案通过在航天器软件中预埋钩子功能,经遥控指令注入在轨维护指令码,实现在轨运行软件模块的动态替换功能.通过系统测试,证明该方案的可行性,具有良好的工程应用价值.     

支持任务自主接入的星务软件重构方法

目前卫星设计领域软件在轨重构方式安全性低，灵活性差，大大制约了星务软件在轨功能的持续更新与扩展需求。针对以上背景，提出了一种支持任务级重构的星务软件架构，介绍了基于容错SRAM的典型硬件环境和基于软总线的软件分层设计方法；开展对任务自主接入及硬件重启后自主恢复机制的研究，提出支持任务自主接入的星务软件重构流程及补丁协议，最终针对新型软件架构和任务接入方法进行仿真，验证了该方法的安全有效性，解决了目前星务软件重构灵活性差的问题，为提升卫星软件好用易用性提供了解决方案。     

一种微波应答机模拟器的实现方法研究

微波应答机是目标飞行器端配置的重要交会对接合作目标,为确保其在轨功能和性能稳定,地面测试中需配置专用的模拟器对其进行测试,介绍了一种应答机模拟器的实现方法,分析了模拟器的功能、性能要求；基于模块化的设计思想,给出了模拟器硬件、软件实现方案.最后对按照该方案设计的模拟器工作过程及测试情况进行了介绍.     

在轨服务卫星GNC系统地面测试与在轨支持设计

针对在轨服务卫星GNC系统的任务特性,设计了一套地面测试系统,经过相应模块扩展即可用于在轨服务技术支持.该系统已应用于某型号GNC系统的地面测试和在轨运行,稳定性和可靠性良好.地面测试系统由动力学仿真器、星上产品模拟器、ATS测试系统、三维显示系统组成,该系统充分验证了星上软件算法逻辑和硬件电气接口.增加三维避障、图像显示分析等模块后,测试系统实时性更强,可视化程度更高,能适应卫星在轨服务等复杂工况.     

面向航天器嵌入式软件的在轨修复方法

航天器在轨运行的修复手段主要是软件的在轨修复.SPARC平台是我国航天领域应用最广泛的处理器架构设计.针对SPARC平台的航天器软件在轨修复问题，提出一种基于二次链接的方式生成在轨软件修复注入码的方法，解决在轨修复注入码重定位的问题.通过地面遥控注入，利用航天器在轨软件预埋的钩子函数，实现在轨函数模块的动态替换及恢复，大大提升SPARC平台软件的在轨修复能力.通过多个在轨航天器的实际工程应用，证明该方法是可行的和有效的，且具有良好的工程应用价值.     

一种利用CES软件鉴别月球干扰的方法

月球和太阳干扰圆锥扫描红外地球敏感器(CES)导致卫星姿态波动,使若干颗中低轨道卫星在轨出现整星进入全姿态捕获模式.针对这一问题提出了一种利用CES软件鉴别月球干扰的方法,并进行了地面试验验证,试验结果表明该方法不仅可以给出"见月球"标志,并且可以剔除月球和太阳对CES姿态测量的影响.试验结果与在轨飞行遥测数据完全吻合,证明该方法完全有效.     

SVOM卫星星载VHF系统设计

星载VHF系统是中法天文卫星SVOM（Space Variable Objects Monitor）的重要组成部分，为科学目标位置信息及重要数据提供VHF频段的准实时信息下传通道.本文介绍了SVOM卫星星载VHF系统的设计方案，对单机设计、软件设计和调制算法设计等进行了详细描述.SVOM卫星VHF系统是中国首个采用4CPFSK调制方式设计的VHF频段星载数据传输系统.测试和试验表明，星载VHF系统的工程实现满足卫星应用需求，为空间科学卫星重要数据实时传输提供了解决方案.      

GPS定位数据在海洋一号卫星中的应用与比较

简要介绍了海洋一号卫星星载GPS接收机的定位原理、流程和应用，探讨了一种在轨定位结果的确认和互验方法．借助于卫星工具包软件(STK)，利用NASA网站公布的HY-1卫星两行根数(TLE)进行卫星轨道推算，生成星下点位置，并与相应时刻星载GPS接收机实测数据得到的星下点位置进行比较，由此得到两种方法定位结果之间的偏差，用实际在轨数据验证了两者的位置符合程度．     

MEO导航卫星热控系统设计及验证

为解决MEO导航卫星整星热控设计以及有特殊温控指标要求设备的温度控制问题,结合卫星构型、轨道姿态、工作模式等特点,采用被动散热、扩热及局部隔热的热控措施,辅以开关或高精度比例控温算法分级主动热控设计原则。针对载荷大功率设备和相控阵天线,采用热管网络结合扩展散热区的热控措施;针对有温度敏感指标要求的蓄电池组、原子钟等采用隔热措施,辅以主动热控进行独立控温设计;热控软件设计采用在轨自主故障诊断及自动隔离设计方法,显著提升热控系统在轨自主运行能力。经过地面整星级热平衡试验验证及优化设计,在轨多颗卫星的飞行数据表明:整星热控方案设计合理,星上各仪器设备温度满足要求,温度设计余量及变化趋势符合预期。      

基于FPGA的CCSDS星载数据无损压缩系统设计

星载数据的无损压缩对星载数据的存储和传输具有重要意义.CCSDS推荐的RICE算法对于实现数据的无损压缩具有很好的效果.本文针对RICE算法中k值选择算法计算量大的缺点，利用预处理样本最大值优化k值的方法，使优化后的算法计算复杂度更低，资源占用率更小，运行时间更短，但压缩比相近.利用FPGA进行硬件实现并通过仿真和试验测试，使星载数据的压缩比达到1.5以上，可以满足星载系统对数据压缩的要求，为星上其他载荷提供更多资源.      

一种星载控制计算机智能容错方法

  深空探测任务对星载控制计算机的智能性、环境适应性和自主性提出新的需求。介绍目前星载控制计算机容错方法的进展情况，提出可进化硬件容错这种可用于星载控制计算机容错设计的智能容错方法，给出该方法的三种实现结构，即并行结构、串行结构和具有故障检测功能的串行结构，并对各种结构进行分析和比较。最后，用仿真验证平台验证了串行结构的可行性和容错性。     

多视场低磁星敏感器及其在磁测卫星中的应用

下一代地磁导航等空间任务对地球磁场测量卫星提出了迫切的需求, 高精度地磁场测量卫星需要极高的姿态测量精度和空间剩磁环境, 对星敏感器提出了新的要求。针对这一需求, 研究了低剩磁高精度星敏感器的改进设计方法。采用三视场分体结构设计,提高了数据更新率,通过数据融合提高了姿态确定精度,同时对光学头部进行了精细化降剩磁设计。仿真和测试结果表明，改进的星敏感器设计方法能够实现较低的剩磁和较高的定姿精度, 满足地磁场测量卫星的应用需求, 具有较高的应用价值。     

小卫星设计中软件重注入的关键技术研究

针对小卫星的一体化设计思想，采用CCSDS测控体制，星上采用CAN总线的分布网络，对小卫星软件重注入的课题做了深入的研究。     

基于星间链路的导航卫星时间自主恢复策略

基于北斗导航卫星星间链路的测距与数传功能，针对自主导航时卫星时频子系统异常导致载荷系统断电重启的情况，提出了一种基于星载计算机自主计时及星间链路误差校正的策略.在载荷系统重启时间内，利用星载计算机守时，并通过十秒稳定度预报晶振频率漂移量的方法，维持星钟在重启时间内的稳定.载荷系统重启后，星载计算机授时给导航任务处理机，通过误差分析计算出总误差.该误差在星间链路建链误差允许范围内，然后通过星间链路对星钟误差进行校正恢复，重新实现星地时间同步.      

基于多种并发机制的卫星电子设备地面测试软件设计方法

在卫星电子设备测试系统中,地面测试软件不仅要访问测试系统硬件,而且需要与用户直接交互,并完成测试数据的存储和管理,并发处理能力是测试系统可靠和正确的关键,传统软件设计采用的串行策略无法适应卫星地面测试软件中的并发处理需求.为解决上述问题,提出多线程、消息机制、共享缓冲区、P-V操作4种并发机制相结合进行程序设计的方法.实际应用表明采用这种基于多种并发机制的程序设计方法能可靠实现卫星地面测试软件,有效解决了软件开发中的并行性问题.