基于星上动态指令调度的卫星使用效能提升技术

针对传统任务管理模式采用静态约束指令序列导致卫星使用效能的不足,提出一种基于有向图模型的动态约束自适应任务管理方案。采用面向用户的星地任务控制接口,利用地面仿真和星上实时遥测获取任务运行过程的动态约束参数,星载计算机据此动态生成任务指令序列。针对某高性能光学卫星的仿真试验表明,与传统任务管理模式相比,卫星操作接口复杂度减少88.5%,任务注入效率提升699%,有效载荷数据传输效率提升10%,全球数据获取能力提升11%,对我国区域的实时数据获取能力提升100%。方案对遥感卫星在轨运行管理具有借鉴意义。     

遥感卫星在轨可用性约束条件分析及对策

从任务注入、设备控制、信息获取、数据传输、能源平衡五个维度,分析了制约遥感卫星在轨可用性的瓶颈因素;提出新一代遥感卫星运控策略,采用"宏指令"取代"指令模板",提升卫星操控性;采用"动态规划"取代"静态规划",提升星载资源在轨使用效率;采用"自主指令序列优化"取代"被动执行预设指令",提升成像获取和数据传输任务的执行效率。某领域遥感卫星在轨测试和地面仿真表明,与传统运控模式相比,任务注入效率提升了约5倍,操作接口复杂度降低了约94%,并显著提升了星载能源、存储资源、对地数据传输资源的使用效率。     

近地卫星星历的高精度星载算法研究

随着星载计算机系统结构和性能的改善,利用星载计算机实现高精度的星历计算成为可能。本文针对近地轨道卫星提出了一种适合星上轨道预报的数值算法。通过采用简化的动力学模型和一种嵌套插值算法的积分器,有效提高了计算效率,降低了对星载计算系统的性能要求,从而实现高精度的卫星星历星载计算。该算法在星载计算机系统平台上进行仿真验证的结果表明,对于某飞行器可实现轨道预报1天优于1km的星历计算。     

基于有效准则矢量生成的成像调度方法

进行高效成像调度是卫星控制的一项重要任务。通过将成像需求序列对应为有向图中的成像路径,结合成像调度问题特点,基于多个优化准则使用支配关系对成像路径质量进行综合评价,提出有效准则矢量生成算法。利用成像有向图的拓扑特性,基于时间顺序顶点选择策略进行顶点标记更新,生成出有向图中所有的有效准则矢量及每个准则矢量对应的一条Pareto优化路径。实验结果表明,获得的有效准则矢量数目小,算法可以在较短时间内得到多条具有代表性的优化成像路径,满足卫星成像调度的时间和性能要求。     

高分多模卫星星地任务管理方案设计与验证

高分多模卫星工作模式复杂,工作模式组合变化多,卫星单轨和1天内可执行任务数量大幅增加。为了解决这些问题,在工程上实现卫星灵活、高效的工作过程精准执行,在操作上实现地面段任务管理的简洁、易用,在应用效能上实现卫星能力的充分发挥与卫星安全性的兼顾,参考国内外遥感卫星技术发展,提出"目标、需求、元任务、动作、指令"的5层次星地任务管理架构,明确了以"元任务"作为星地任务接口,并实现算法开发、地面验证和在轨应用。高分多模卫星星地任务管理方案大幅降低了地面任务管理人员对卫星操作的复杂程度,提高了任务上注效率、执行效率和组合使用灵活性,使得卫星的应用潜能得到完全发挥。     

高轨遥感卫星持续跟踪多个动目标的任务规划方法

对多个动目标持续跟踪成像是高轨遥感卫星的重要任务之一。为此,文章提出了高轨遥感卫星对多个动目标持续跟踪的任务规划方法。以卫星姿态机动次数和姿态机动角最小为优化目标,以卫星对动目标持续跟踪的起始、终端状态、服务次数约束及时间分配的限制为约束,建立高轨遥感卫星姿态机动对多个动目标的调度模型。在此基础上,采用遗传算法生成高轨遥感卫星在每个任务周期对多个动目标调度的任务序列,结合九宫格跟踪算法完成对多个动目标的持续跟踪。仿真结果表明：任务规划方法可以成功对1个高速动目标及多个中低速动目标进行跟踪监视,具有很好的适应性。     

敏捷遥感卫星新型姿态控制精度评估方法

针对新型敏捷遥感卫星地面测试缺乏验证手段问题,文章提出一种针对敏捷机动成像过程的新型姿态控制精度评估方法,通过设计星地模型算法,根据卫星的定轨数据和高精度姿态数据计算,可得到星载相机成像点在地固坐标系(ECF)的坐标,并引入地表高程数据以提高计算精度,进行成像点位置精度评估,即姿态指向精度评估;通过计算地表镜下点运动速度等衍生参数,进行载荷成像质量评估。与同条件下地面任务规划数据比对,算法精度误差在10米量级,远小于卫星姿态指向误差导致的成像位置偏离,满足地面分析验证精度需求。该套算法已应用于遥感公用平台、某卫星姿态敏捷机动技术地面验证工作。     

能源平衡模型中工作模式判别方法

卫星能源平衡模型用于计算卫星预期的能源消耗,以判断卫星能源能否保证任务的顺利完成,指导电源系统设计或对规划任务进行能源约束。能源平衡计算需要先判别卫星工作模式,工作模式判别的准确性直接影响能源消耗计算的准确性。目前对于多任务且姿态需要相应机动的卫星缺少有效的模式判别方法,为此,提出了通过建立索引表及查询数据库的方式进行工作模式判别的方法。建立不同时间序列工作状态与卫星工作模式索引表,将轨道时间序列及规划任务时间序列注入数据库,查询数据库中不同时间序列工作状态,对照索引表可得卫星工作模式。为提高运行效率,利用加速算法能减少查询次数,缩短查询时间。通过仿真实验对加速参数选取进行了讨论。该方法适合于工作模式复杂且可用时间序列对工作模式进行约束的卫星。     

面向时序InSAR的卫星任务规划框架设计

随着国内自主雷达卫星和差分干涉合成孔径雷达技术(D-InSAR)及衍生的时序InSAR技术的发展,以时间序列上重复观测为主的长周期形变监测的应用与日俱增。对遥感卫星地面任务规划系统来说,规划和管理大量有时序关联的重复任务,从而最大限度地满足观测要求,是提升以形变监测为使命的雷达卫星运控效率的关键。在综合考虑雷达差分干涉任务序列性、一致性、周期性特征的基础上,设计了一种面向雷达卫星时序InSAR类型任务的规划框架,旨在规划序列任务时,考虑序列整体特性,进行序列任务组间的冲突检测。基于此方法,对现有的地面任务规划系统进行了优化升级,验证了框架的有效性。结果证明:该方法可快速、自动进行序列任务冲突消解,可为长周期序列任务的规划和管理提供设计参考。     

遥感卫星应用系统的一种多任务并行调度方法

任务调度是遥感卫星地面应用系统管理控制的一个重要功能。为了解决系统生产任务量大,并行调度多等难点,文章提出了基于任务优先级生产策略、面向遥感卫星地面应用的一种多任务并行调度方法,并针对任务特点设计了一套新的线程池运行机制用于多线程的管理。该方法提高了任务调度效率和系统资源利用率,并行执行的任务数量大,系统资源消耗低,任务执行的延迟率减小,解决了遥感卫星地面应用系统时效性低的问题。     

一种新型卫星携气瓶推力器喷气时长计算方法

卫星自主编队保持通常采用开环控制模式,需要星载计算机(AOCC)根据推进系统的工作状态实时计算喷气时长。由于AOCC计算能力有限,在携气瓶推力器仿真测试过程中采用的速度增量关机方式不适用于在轨喷气时长的计算。为减小AOCC运算量,提高控制精度,开展了携气瓶推力器的动力学建模仿真,进行了寿命期间的性能分析。针对该时变推力模型,设计了AOCC喷气时长计算方法。通过推力的状态传递和推力预测,构造了以喷气时长为变量的代数方程,并将该方法应用到一组多次喷气情况下的喷气时长计算。仿真结果显示:与以往基于单点测量的推力器喷气时长的计算方法相比,采用该方法计算的喷气时长更接近理论值,能够有效提高卫星自主编队保持的控制精度。     

一种基于实数域特征值分解的前后向平滑算法

为减小算法的运算量,对常规前后向空间平滑(FBSS)算法进行改进,提出了一种基于实数域特征值分解的前后向平滑(RDFBSS)算法。算法根据前后向平滑算法协方差矩阵的中心-厄米特对称特点,通过实值化变换,使FBSS算法的特征值分解从复数域转为实数域,大幅减少了算法的运算量,且不影响解相干和统计性能,提高了实用性。仿真结果证实了算法的有效性。     

一种地球紫外中心快速提取方法

针对地球紫外中心指向高精度提取问题,提出一种基于梯度统计的快速、低存储需求的紫外地平圆盘中心提取算法。首先,考虑到星载计算机与高内存消耗的滤波算法、实时导航需求的冲突,采用结合Sobel边缘算子与局部二值模式（LBP）算子的改进边缘快速提取方法,有效剔除背景噪声并准确提取地球紫外临边特征。然后对非完整临边边缘采用最小二乘拟合得到中心的精确位置。实验结果表明,该方法抗噪声,可实现亚像素级地球中心提取,并显著降低存储需求和计算时间开销。对于1046×746的图像,该算法需要的存储空间仅为1100kByte,运算时间在20ms内,满足自主导航的需求。     

航天飞行器控制系统误差实时补偿方案研究

箭上计算机实时计算因惯性器件系统误差而造成的测速误差，并将其引入导航方程后，通过导引和关机进行实时补偿。数学仿真表明采用这种补偿方案，箭载计算机的计算工作量小，补偿精度高，是一种有实用价值的方案。     

光滑粒子流体动力学的一种并行数值计算方案

在三维超高速碰撞数值计算方面,针对三维光滑粒子动力学（SPH）方法计算量大和耗时长的缺点,文章提出了一种简单直接、易于编程实现的SPH并行计算方案,并简述了该方案的基本思想、任务划分、变量存储、信息传递以及主要计算步骤。最后利用自编并行程序计算了两个超高速碰撞实例,结果表明:针对几百万个粒子,在运算速度为每秒5万亿次的“银河”计算机上申请23个核并行计算,每步约需要8 s,加速比约为10,并行效率约为50%,计算时间显著减少。     

基于改进伪谱反馈控制的远程变轨闭环制导

利用最优反馈控制和轨迹快速重构技术,设计一种有限推力空间远程变轨自适应闭环制导方法。首先给出了最优反馈控制的求解原理和必要条件。将空间变轨动力学模型特点和伪谱法相结合,设计基于状态量缩减的计算效率改进策略以提高轨迹优化的实时性。基于改进伪谱法进行逐次轨迹快速重构,利用开环最优解形成闭环反馈,从而保证制导指令的实时更新,并通过引入控制逻辑改进制导算法。远程交会仿真表明,该闭环制导方法在保证任务指标具有一定最优性的同时,可以有效抑制多种参数不确定性和外界干扰的影响,具有较高的制导精度、自适应性和鲁棒性。     

近地轨道卫星的地影预报算法

针对传统地影预报算法计算量大,不适合星载计算机进行地影时刻自主预报的问题,提出一种地影预报星上算法。通过构造降维坐标系将卫星进出地影过程转换为“星-地-日”平面内的几何问题;基于常数变易法推导出阴影条件的隐式解析公式,其方程系数可由实时轨道参数确定。为简化计算,将星上算法设计为双层结构：构造迭代算法,依据实时轨道参数可精确预报卫星在每个节点上的地影时刻;而在任意两个节点之间采用解析算法进行近似预报。仿真结果表明,星上算法的预报精度高且计算量小,适合星载计算机进行地影时刻自主预报。     

SpaceWire星载网络通信协议设计

SpaceWire是ESA和NASA推荐的新一代星载数据总线标准,其应用方向之一是构建统一总线星载网络。星载网络是典型的实时系统,它对网络信息的传输时延具有严格要求。然而,传统SpaceWire网络多源、异步、事件触发的特性使它难以提供确定的信息传输时延,这制约了它在统一总线星载网络中的应用。本文为克服SpaceWire的上述应用瓶颈,提出一种基于时间触发的SpaceWire星载网络通信协议,并提出相应的节点通信调度算法,通过合理的规划使节点在确定的时间窗口发送通信数据,从而避免了网络资源冲突,使信息传输时延的确定性得到保证。