基于模型化配置的星务自主控制软件设计与应用

卫星互联网正成为一种空间基础设施展开建设,大规模卫星发射的需求与地面运控管理任务指数型增长之间的矛盾日益突出,特别是对于低轨长期处于测控不可见弧段运行,其自主生存需求更为急迫,而星务自主控制功能是实现自主运行和生存的重要组成.本文通过参数装订、逻辑子层和数据交互模块的架构设计,提出一种基于模型化配置的自主管理软件系统框架,并针对核心逻辑子层,建立遥控主动模型、遥测主动模型以及数据融合交互控制模型,实现星务自主管理软件的快速研制,解决自主运行功能常会随设计深入和试验验证不断功能扩展的问题,提高星务自主控制软件的灵活性.通过卫星故障检测和恢复(FDIR)自主管理功能的设计进行了验证.结果表明该软件系统设计框架能够满足星务自主控制功能设计,具备可扩展能力,为进一步提升卫星的智能化水平奠定基础.     

“天巡一号”微小卫星星务故障管理设计

对“天巡一号”微小卫星的总体情况进行了简单介绍,并针对星务管理系统的功能给出了设计方案.从硬件和软件上提出了基于局部冷冗余备份的多项故障预防及故障处理设计,并设计了电源安全管理及软件容错等多项可靠性措施,提高了星务管理系统的可靠性及安全性,符合“天巡一号”微小卫星星务系统采用单一中央数据处理系统,集成星务管理及姿态控制能力的设计方案.     

小卫星姿控与星务管理的一体化设计

介绍一种将姿控系统和星务管理系统融为一体的设计思想，它节约了星载机资源，提高了系统信息处理的实时性，很好地体现了小卫星的质量轻、体积小、成本低的优势。对姿控系统的硬件组成、卫星的飞行模式和控制策略、星务管理软件的体系结构和总结设计思想、姿控软件的星务管理软件的接口设计等内容做了重点讨论。     

在轨地球同步卫星自主工程测控研究

地球同步卫星在轨工程测控任务通常由地面测控系统完成. 随着技术水平的发展, 如果在轨地球同步卫星能够实现自主工程测控, 将大大减轻地面测控系统负担, 提高卫星独自生存能力, 降低系统运行成本, 并将成为卫星测控技术新的发展方向. 本文提出卫星自主在轨测控方案, 研究了当前地球同步卫星在轨工程测控的主要项目及实现算法. 对其进行的可行性分析表明, 尽管受到轨道测量能力的制约, 在轨地球同步卫星仍可实现完全或地面有限参与情况下的自主工程测控. 在此基础上, 设计了一种地球同步在轨卫星完全自主工程测控的原理方案, 通过分析其技术难点及存在的风险, 提出应对措施. 研究结果表明, 基于目前卫星制造水平和成熟的在轨测控技术, 实现在轨地球同步卫星自主工程测控技术可行, 其是解决卫星数量急剧增加与地面测控能力有限这一突出矛盾的有效途径.      

卫星高功能密度综合电子系统设计

微小卫星综合电子系统承载了卫星大部分功能，是卫星任务处理和控制的中心，未来新的智能化应用、星群应用、通信服务等需求也将由卫星执行，对综合电子系统提出了新的要求。分析了国外典型小卫星综合电子系统，具有功能综合度高、多数功能集中在一台计算机中、卫星功能软件化的特点。设计了基于软件定义的综合电子系统一体化结构，硬件采用高度集成的模块化设计，软件采用分层和组件化设计，将系统功能进行分层，通过软件定义组件的方式实现各层功能和业务。高功能密度综合电子系统由一个通用化的高性能硬件平台和各种可加载的APP软件组成，除传统功能外，还可扩展自主任务管理、星间组网和载荷管理等功能，不仅使卫星的集成度和功能密度大幅提升，还能实现卫星功能重构，达到一星多用、一星多能的目的，有利于紧急时期卫星系统快速构建与应用，对于未来星座组网应用也具有一定意义。     

高分七号卫星总体设计与技术创新

高分七号卫星(GF-7)是中国自主研制的首颗1∶1万比例尺立体测绘卫星, 是国家高分辨率对地观测系统重大专项的重要组成部分。卫星围绕“双线阵相机与激光测高仪主被动复合测绘”的新体制,形成了高精度内/外方位元素稳定性设计、高精度姿态稳定控制、首个X频段自适应高速率数据传输系统、星上智能星务管理系统等一系列关键技术和创新点,实现了少控制点或无控制点区域的大比例尺立体测绘能力。介绍了卫星的总体设计情况,总结了观测体制、高精度载荷、姿态控制、高速数传、智能星务等技术创新点,通过卫星在轨初步测试结果进行了评价,认为卫星能够满足1∶1万测绘任务的要求。     

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。      

基于宏定义动态链接的模块化星载软件升级方法研究

提出了基于宏定义动态连接的软件模块化设计思路, 并针对某小卫星平台的体系结构, 对其星载软件进行了具体的模块化实现, 同时提出了一种在轨升级方案. 经实验验证分析, 所提出的模块化设计思路提高了星载软件在轨升级的效率和灵活性, 升级过程中对结构化模块信息上载和验证, 提高了升级方法的可靠性和安全性.      

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.     

基于梯度提升决策树的量子科学实验卫星光学实验预测

量子科学实验卫星在轨运行期间完成4种光学实验，地面监测人员通过遥测参数阈值判断卫星是否进行光学实验、实验类型及实验结果.这种方法需要预先设定大量阈值，并且这些阈值需要根据在轨卫星重新设定，可扩展性较差.针对以上问题，提出一种基于机器学习的光学实验判别方法，将量子科学实验卫星的光学实验监测任务抽象为机器学习中的多元分类问题，构建分类模型，利用量子科学实验卫星的真实历史遥测数据对模型进行训练，并通过真实实验计划对训练得到的模型进行验证.实验结果表明，本文提出的方法在没有专家先验知识的前提下，判别准确率达到99%，可用于量子科学实验卫星光学实验的实时监测任务.提出的基于机器学习的判别方法具有较强的可扩展性，可应用于卫星在轨运行的其他监测任务.      

卫星数传分系统通用地检测试中频接收机设计

为满足卫星数传分系统测试任务需求，提出一种通用性、灵活性强的地检测试中频接收机设计方案.采用软件无线电设计思想，设计基于PXIe总线的模块化平台，通过FPGA进行硬件实现，符合CCSDS标准.经过工程实践，所提出的地检测试中频接收机方案已应用于工程型号，并成功执行各阶段测试工作.      

基于BM3803的1553B总线通信软件设计

在某卫星地面检测设备中使用BM3803处理器来模拟卫星中的总线控制端对远程终端进行检测,构建了比传统的Windows+1553B_PCI板卡方案实时性更强的卫星数据仿真平台。首先向BM3803移植了实时操作系统μC/OS II,设计了适用于BM3803的板级支持包,保证了软件的可在轨更新和任务的实时性,确定了用户任务与硬件高度分离的软件结构。在设计μC/OS II的用户任务时,充分利用BM3803和B61580的校验功能,提高了软件的可靠性。最后令本设计和Windows+1553B_PCI板卡方案完成相同的用户任务,对比可得本设计有更好的实时性,可满足卫星高层通信协议对实时性的要求。     

基于在轨温度测量数据的整星结构尺寸稳定性分析

针对高精度测绘卫星结构尺寸稳定性这一关键性问题,基于在轨温度测量数据,利用热分析模型和在轨温度变化规律,提出了卫星结构在轨温度场的反演方法.基于卫星结构在轨温度场反演数据,提出了针对载荷安装面法向夹角的拟合计算方法和夹角稳定性短期、长期指标的预示方法.根据该方法,给出了高分七号卫星在轨初期1个月内的结构稳定短期指标和长...     

陆地生态系统碳监测卫星控制系统方案设计及在轨验证

陆地生态系统碳监测卫星(句芒号)主要用于陆地生态系统碳监测、陆地生态和资源调查监测、国家重大生态工程监测评价等,句芒号卫星控制分系统设计了高精度的姿态确定、高稳定的姿态控制算法和混合轨迹规划姿态机动算法.针对载荷对月定标的需求设计任意时刻经过任意惯性空间位置的惯性扫描模式,针对卫星自主任务规划的需求,设计一种基于地表模型图的星下点地表属性预报方法和高精度的火点视线指向地理经纬度计算方法,并为火点检测敏感器提供了太阳天顶角、卫星天顶角、相对方位角等云判辅助信息火点位置的实时动态预报,在轨实现了高可靠的敏感器火点指向计算和伪火点剔除.根据卫星在轨运行数据,给出相应指标实现情况,对姿态控制系统的方案和指标满足情况进行在轨验证.     

卫星在轨故障案例与人工智能故障诊断

减少卫星在轨故障,使卫星按设计寿命要求在轨执行飞行任务是卫星设计的一个重要课题.为了分析在轨卫星故障的原因,探索最新的卫星故障诊断方法,首先收集了2003～2021年卫星典型在轨故障案例,然后对卫星故障从不同的维度进行统计分析和相关性分析,包括卫星平台与卫星故障的相关性、卫星在轨时长与卫星故障的相关性等,最后介绍了基于...     

一种基于相对钟差估计的星座自主时间同步方法

针对区域星座自主导航的任务需求,提出了一种基于相对钟差估计的星座自主时间同步方法.介绍了该方法的实现原理,建立了系统状态模型和系统测量方程,并设计了适用于星座时间同步的Kalman滤波算法.仿真结果表明,该方法能够实现星座卫星的时间同步.     

基于改进MOPSO算法的区域侦察弹性星座重构方法

针对区域侦察弹性星座重构问题,提出了基于改进多目标粒子群优化算法(multi-obj ective particle swarm optimization,MOPSO)的区域侦察弹性星座重构方法.该方法采用一箭多星发射和在轨卫星相位机动相结合的方式对受损星座重构.首先选取了星座覆盖、重构成本、重构时间和星座弹性四方面的...     

地震电磁卫星任务规划系统研究

地震电磁卫星任务规划是支持卫星在轨业务运控的核心环节. 通过对地震电磁卫星任务规划系统的研究, 提出了地震电磁探测卫星任务规划的基本原则, 设计了地震电磁探测卫星任务规划系统架构, 分析了系统功能需求和规划处理流程, 在此基础上对地震电磁卫星进行了原型实现.