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。     

空间站运行控制任务规划体系方案研究

面向我国空间站运营需求,分析了我国空间站运行控制任务规划的任务需求和建设目标,进而提出了我国空间站运行控制任务规划的体系架构。首先设计了基于任务周期的分布式任务规划工作模式,给出了规划建模和实施流程;然后从数据传输规程、接口形式和交互关系三方面研究了系统间接口规范;最后提出了运行控制信息管理平台以及分布式任务规划系统的功能组成和要求。研究成果可为我国后续的空间站运控系统建设提供参考。     

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。     

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。     

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。     

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。     

国际空间站俄罗斯舱段20年主要科研活动及未来部署综述

国际空间站是目前在轨运行最大的空间平台,是一个拥有现代化科研设备、可开展大规模、多学科基础和应用科学研究的空间实验室,为在微重力环境下开展科学实验研究提供了大量实验载荷和资源,支持人在地球轨道长期驻留。俄罗斯舱段作为国际空间站重要组成部分,除承担与载人飞船对接的任务外,还在技术开发与验证、人体研究、教育活动与推广、生物学与生物技术、物理科学及地球与空间科学等6个研究领域开展了大量的科学实验,其中以人体研究领域的实验最多。有很大一部分实验是长期持续开展的系列实验,且每期实验的研究重点围绕总目标逐步深入,取得了多项有价值的研究成果。未来几年,俄罗斯还计划发射3个舱段,并在此基础上建设独立运行的本国轨道空间站,俄罗斯舱段仍有巨大的应用前景。     

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。     

航天任务计划工作模式研究

地面采用何种方式来调度运行任务系统并对航天器实施控制,是飞行控制中心面临的一个重大问题。本文针对航天任务的特点,提出了采用计划工作模式的思想与方法。首先论述了采用计划工作模式的理论依据,然后探讨了计划工作模式的基本概念、特点和要求,阐述了航天任务计划工作模式的基本内容,最后讨论了计划工作模式的关键技术以及采用计划工作模式实现飞行控制自动化的可能性。     

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。     

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。     

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。     

多电发动机分布式控制系统总体方案研究

多电发动机控制系统十分复杂,需要采用分布式控制。分布式结构易于从部件级到子系统级再到系统级进行试验,同时大多数试验可通过仿真程序同步进行。基于某型发动机技术平台的分布式控制系统总体方案,在保留原平台的控制功能和控制规律基本不变的情况下,按多电发动机控制要求,大量采用电介质替代燃油介质实现控制功能,并按分布式控制方式进行系统总体方案设计。重点验证了新增控制功能、新原理控制元件和控制方法以及分布式控制总体运行模式,使其能在现有发动机平台上进行多电发动机分布式控制关键技术验证。     

一种基于首发货运飞船的姿态控制试验方案研究

针对首发货运飞船的任务特点,兼顾未来空间站的需求,提出姿态控制试验系统方案,用于首发货运飞船。在基本不改变标准平台状态的前提下,可在轨验证满足后续型号任务需求的扩展平台功能,减少自主飞行与离轨推进剂消耗量共计560~690 kg,更好地满足了其他飞行任务与试验的推进剂需求,同时还可提前验证空间站关键单机。分析了三轴对地、连续偏航、90°俯仰对地、俯仰机动、组合体CMG融合使用等姿控模式,并进行了仿真,验证了方案的可行性。     

国外载人航天器维修性标准综述

为保证中国空间站在轨长寿命、高可靠运行,达到10年以上的运行寿命,对维修性设计、分析、验证及在轨维修工作提出了迫切需求。通过对国外载人航天器维修性相关标准进行调研和系统分析,对GPQ-MAN-04《国际空间站有效载荷以安全性为中心的维修性(维修手册)》、GPQ-MAN-05《国际空间站有效载荷在轨维修以安全性为中心的方法——维修计划指南》、JSC-48513-4A《国际空间站维修&维修小组(MRG)在轨飞行维修手册》、GPQ-010《有效载荷项目的产品保证要求及其附录》及相关5个附录等重要国外维修性标准进行系统研究及解读,并对中国载人航天器维修性标准的制定进行了展望。     

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。     

实时高可用测控集群关键技术研究

针对实时测控信息类型复杂、信息处理和控制方法多样、对实时性和可靠性要求高等特点,构建了一种基于集群计算平台的实时、高可用测控系统,在此基础上提出了一主一备双工热备节点的分布式集群管理控制模式,即在系统运行过程中任务除在一个节点上进行处理外,另一节点同时运行该任务处理(但不输出处理结果),在此基础上设计了任务故障监测的心跳机制、任务故障迁移和恢复的分配方法。通过实验证明,该方法能在一个处理周期内发现任务故障,并实现故障任务的迁移和恢复,不仅减少了系统建设成本,而且缩短了故障任务迁移和恢复时间,提高了测控系统的实时性、可靠性。     

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.