基于协同的空间站运营飞行任务规划方法研究

结合我国空间站运营任务需求,针对规划对象需求多样、约束复杂、在轨资源有限及多用户参与等特征,分析了基于协同的飞行任务规划问题;从用户模型与规划模型两方面构建了协同规划模型;提出了多级递阶控制的协同规划策略,把维数高、求解难的复杂协同规划问题分解为系统内、系统间等不同层级协同规划;基于分布式网络,采用B/S架构设计了协同规划支撑环境,实现了协同过程全局数据一致性控制。设计实现了验证环境基本功能,相关实例验证结果表明,分布式协同规划支撑环境具有技术可行性。研究成果可为我国空间站运营规划提供参考。     

空间站运营在轨任务并行规划技术研究

空间站运营任务规划技术是空间站长期稳定运营的核心技术。面向我国空间站建设运营需求,对空间站运营任务层建模与规划技术进行了研究。针对任务层规划任务类型多样、约束复杂及资源受限等问题,基于约束满足理论,建立了任务层规划模型;同时针对任务层规划问题规模大、耦合性强及难于求解的特性,提出了一种任务层规划问题并行求解方法。仿真结果表明,本文提出的并行求解方法相较传统的串行规划算法加速比可达14.19,能有效快速求解空间站运营任务层规划问题。研究结论可为我国空间站运营相关规划系统研制提供参考。     

中国空间站分布式运行控制模式

空间站任务飞行事件密集、参与单位众多、协同关系复杂,为高效、可靠、安全组织空间站运行控制工作,提出了优化一种模式、建好一个平台、形成新型机制的总体思路,运用系统工程思维设计了以5类中心为骨干、异地容灾中心备保的分布式空间站运行控制体系架构。给出了关键任务段适当集中、长期运行段完全分布的联合运行控制模式,进一步提出分布式运行控制平台、容灾备份系统等重点发展完善方向。该模式具有较高的可靠性、安全性和实施效率,能够较好地适应空间站长期在轨、航天员连续驻留的任务场景,可保障中国空间站运行控制工作可持续运转。     

空间站机械臂关键技术研究

我国空间站机械臂承担舱段转位、辅助对接、舱外设备安装及维修等关键任务,具有大负载、高精度、高可靠等特点,涉及机、电、热、光、控等多学科技术交叉耦合,高度集成且研制难度巨大。在分析、比较国内外机械臂的基础上,提出了我国空间站七自由度冗余、分布式控制、位置可移动的机械臂技术方案,并阐述了高精度伺服控制、多约束路径规划等八类关键技术研究成果。空间站机械臂已具备了工程化实施条件,为我国空间站工程建设奠定了基础。     

我国空间站运行的测控通信工作模式初探

在分析我国载人空间站在轨运行的任务特点和对测控通信提出的新要求的基础上,对测控通信工作模式进行了探讨。针对任务中心,采用分布式模式进行任务的组织和实施,建立常态化工作体系;针对测控通信资源的使用,对资源进行简化、优化,发挥天、地基各自优势,并实现天地基资源统一调度;针对在轨故障诊断和应急处置,提出了“天地联合,以地为主”的载人航天故障诊断模式和实现途径;针对空间站遥操作需求,提出了一套工作模式和实施流程;针对测控通信长期执行任务的可靠性,提出了任务中心容灾备份工作模式和通信路由的备份模式。以期为后续任务工作模式设计提供参考。     

基于HLA的空间站应用任务分布式仿真验证系统

针对空间站应用任务影响因素众多、各因素间相互耦合的特点,分析了空间应用任务影响因素,设计了基于高层体系架构的空间站应用任务分布式仿真框架,开发了仿真验证系统。系统实现了对相应任务规划结果的验证。结果表明:分布式仿真验证系统能够支持任务规划结果验证,任务规划结果合理可行。     

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。     

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。     

基于本体理论的空间站短期任务规划领域建模研究

规划领域建模是解决空间站短期任务规划问题的关键技术之一。通过对比分析空间站短期任务规划问题,梳理了其规划领域特点,归纳总结了领域建模需求;基于本体理论分别建立了规划领域本体模型、对象概念本体模型和方法概念本体模型,进而构建了空间站短期任务规划领域体系,规范化描述了领域内的概念及其关系。最后通过在货运补给与微重力实验两类任务建模上的成功应用验证了所建立模型的有效性。     

基于EtherCAT总线的人形机器人控制系统设计

针对传统人形机器人控制系统存在的软硬件模块化程度低、通讯非实时、控制功能有限的问题,在分析空间站对人形机器人控制系统功能需求的基础上,以四核嵌入式控制器为操作平台,搭建了基于Ether CAT总线的人形机器人分布式实验控制系统,实现了机器人任务规划与决策、数据管理和系统通信等功能,具有灵活高效的网络拓扑结构、模块化的软件架构。实验表明,该系统保证了信号采集的实时性和可靠性,控制的稳定性和高精度。     

基于深度强化学习算法的空间站任务重规划方法

针对空间站短期任务重规划问题规划周期短、实时性约束多、约束传播复杂的特点,结合深度强化学习在智能学习和决策上的优势,提出了适用于深度强化学习的空间站任务状态空间编码方式,实现了基于深度确定性策略梯度算法的空间站任务重规划方法。该方法可以通过学习,自主化解约束冲突,摆脱人为预先设定约束冲突化解策略的限制。仿真分析表明:该方法可以通过算法本身不断地学习进化,找到空间站任务重规划问题的近似最优解,相比于传统解决方法,具有很强的智能性和适应性,为解决空间站任务规划问题提供了新思路。     

空间站航天员信息管理技术初步研究

在空间站任务中,由于工程实施的复杂性及其在轨运行的长期性,航天员参与活动是整个任务的关键所在,而围绕航天员的信息管理必将成为其运营的核心技术之一。首先,详细分析了空间站航天员信息来源,进而研究其信息管理模式与软硬件配置需求,最后提出空间站航天员信息管理框架初步设想,可供工程实践参考。     

空间舱室内易滋生微生物的部位特点和在轨防控措施

针对空间舱室微生物污染及微生物清除问题,指出空间舱室内空气流动性差、潮湿以及经常和人体皮肤发生接触的部位容易滋生微生物,阐述了目前使用的细菌过滤元件、便携式除菌装置、舱内抑菌材料、舱内检测及定期清洁等控制措施,并从空间站建设、运行期间微生物清洁控制方面提出在轨防控的建议,为我国空间站建设和运行管理提供参考。     

我国空间站安全与任务保证工作若干问题探讨

从我国空间站运营阶段对安全性、可靠性、维修性及质量保证(SRMQA)工作的需求出发,在系统分析国外载人航天安全与任务保证(SMA)工作体系的基础上,总结国际空间站安全性可靠性工作的先进经验,并针对我国空间站对航天员安全、寿命与可靠性要求更高的需求,从管理和技术应用两个方面,系统论述了我国空间站安全与任务保证应重点开展的安全性、寿命与可靠性等工作。     

面向空间站在轨服务的人机系统概念设计

针对航天员与空间机器人组成的人机系统,对航天员与机器人的定位和关系进行了分析,根据我国空间站未来舱内外平台运营维护及载荷设备照料对人机系统的任务和功能需求,提出了一种以构型及操作特点与航天员类似的四臂拟人机器人为基础的新型人机系统,并从机器人的机构构型、控制模式及人机交互手段等方面对人机系统进行了概念设计。可为我国空间站后续运营维护手段的配置提供有益参考。     

空间站微重力环境研究与分析

太空中的微重力环境对基础科学研究和新技术开发具有重要意义,为了满足未来我国空间站开展微重力科学实验的需求,需要对空间站上的微重力水平进行分析和评估,指导高微重力要求实验载荷的布局和微重力实验期间的飞行任务规划。空间站上的微重力水平用加速度值度量,通常可以分为准稳态加速度、瞬态加速度和振动加速度。针对此问题调研总结了国际空间站的微重力研究情况,并以400 km轨道高度上100吨级"T"字型积木式空间站作为算例,估算其准稳态加速度大小及分布,并初步分析瞬态加速度水平的量级。结果表明,空间站准稳态加速度水平在1μgn量级,主要贡献来自重力梯度效应;瞬态加速度可达103μgn量级。文章对将来我国空间站微重力应用支持的设计工作有一定的借鉴意义。     

基于体态识别的航天员虚拟训练仿真技术研究

以未来空间站任务建设虚拟现实训练器为需求,为了最大限度地降低虚拟现实设备穿戴给航天员带来的额外束缚,提出了一种新的基于体态识别的航天员虚拟训练仿真系统:采用平行双目视觉原理和偏振立体电视实现立体图像的生成与显示;采用人体三层模型实现虚拟航天员表达,采用骨骼动画实现人体典型动作自动演示、Kinect实现人机交互过程中人体跟踪和运动控制,适合于空间站任务航天员训练、工效验证、典型流程演示等人机交互应用。     

空间站工程着陆场航天员应急搜救体系建设研究

为了构建空间站工程着陆场航天员应急搜救体系,分析了航天员应急搜救任务的特点和组织实施需求,归纳了国外航天员应急搜救体系建设特点和我国应急救援体系建设概况,研究了航天员应急搜救体制建设、力量建设、预案建设和运行机制等关键问题并给出了有价值的建议,部分研究结论已在交会对接飞行任务中得到应用.     

可靠性高加速试验技术及其在我国空间站应用领域实施的总体思路

我国载人空间站任务计划运营周期10年以上,期间开展长期、持续的空间科学与应用研究,对应用有效载荷提出了"长寿命、低成本"的任务需求,需要采用高加速试验技术(HALT、HASS)提高并评估航天产品的可靠性。早期的高加速试验多用于民用产品,且多采用定性方法。近年来高加速试验的研究取得持续进展,逐渐注重HALT、HASS的定量研究。本文结合我国空间站应用领域"长寿命、低成本"的任务需求,提出了HALT-HASS-ADT(HHA)的高加速试验集成方法及其总体实施思路。     

空间站姿态控制系统实时仿真研究

研究了五棱锥构型的单框架控制力矩陀螺群作为执行机构的空间站姿态控制系统的实时仿真问题.根据空间站姿态控制系统的实时分布式仿真要求设计了仿真节点结构,综合了四种网络连接形式构建系统的实时网络环境,说明了仿真系统软、硬件平台的选择,以及系统仿真中的调度设计问题.最后对整个系统进行了分布实时仿真,运行结果说明了这种空间站姿态控制系统方案是可行的.