面向多级中断系统的任务最差响应时间分析

针对航天嵌入式系统中存在多级中断情况下的时间分析问题,提出了中断与任务混合的响应时间计算模型。该模型中断与任务使用统一的优先级定义,将多级中断嵌套的响应时间分析与任务嵌套的响应时间分析相结合,推导出了混合模型下响应时间计算公式。并进一步比较了中断与任务的异同,阐述了公式中关键参数的含义与计算方法。最后利用开源的LEON3平台和Modelsim软件对所述方法进行了仿真验证,结果表明,任务最差响应时间过估小于5%,可以得到准确的分析结果,有较高的工程应用价值。     

一种星载计算机秒中断间隔可控的校时方法

传统的星载计算机时间维护主要由软件实现，为了避免校时过程中秒中断间隔过小或过大，软件需要通过复杂的逻辑和算法对外部计时器Intel 82C54芯片进行多次操作才能实现一次校时，较容易出错，且占用CPU机时较多。随着未来航天器智能处理的任务越来越多，CPU机时越来越紧张，为了将CPU从繁琐的校时操作中解放，提出了一种基于FPGA的秒中断间隔可控的校时方法。通过FPGA逻辑电路设计星时计时器，利用秒中断间隔约束条件设计校时触发条件，当满足校时触发条件时，FPGA逻辑电路自动实现校时操作，很好地解决了校时过程中秒中断间隔过大或过小的问题，节约了CPU机时。该校时方法已在多台星载计算机上应用，取得了较好的效果。     

航天器C51语言软件中断资源冲突分析方法

对航天器C51语言软件中常见的3种中断资源访问冲突情况进行了归纳总结.由目前软件资源冲突分析方法的比较结果,提出基于静态分析技术的C51语言软件资源访问冲突分析方法,并针对上述情况给出了具体分析流程.该方法可以解决多种C51语言软件中断资源访问冲突问题,也可以推广到其他处理器.     

面向宇航应用的高可靠SoC异常处理系统设计

实现了面向宇航应用的高可靠SoC异常处理系统软硬件设计.为提高可靠性，将处理器及异常处理系统寄存器进行冗余设计，对SoC片上SRAM及各外设存储模块引入EDAC检错/纠错(纠一检二)机制.采用中断控制器统一管理众多的外设中断请求，对数据/指令的EDAC校验一位错和二位错异常，引入不同的硬件处理机制.一位错可通过EDAC逻辑纠正，不影响处理器正常运行，通过中断控制器以异步异常方式处理；二位错不能被EDAC逻辑纠正，影响处理器指令执行，通过总线反馈信号以精确同步异常方式处理，保证了异常响应的效率和系统可靠性.仿真验证结果表明，该异常处理系统可正确处理SoC众多外设和处理器内部异常.本文中的设计方法对高可靠处理器异常处理系统设计具有一定的参考价值.     

频率修正法精确控制计算机时间

详细介绍了计算机的计时原理,并提出以外部时间基准作参考,通过修正计算机BIOS计时中断周期的方法,达到修正系统时钟频率的目的,从而实现对计算机时间的精确控制。文中还对该方法的软件设计与实现进行了详细说明,并列举出实际测试结果,验证了该方法的合理性与有效性,表明该方法是目前利用软件进行计算机时间校准的最佳方案。     

星载操作系统中面向混合多任务类型的两级准入控制策略

随着空间技术的发展,星载操作系统从单一任务类型的封闭式系统转变为多种任务类型混合的开放式系统,此时系统的可预测性难度和不确定性增大,而现有的表调度策略已无法解决该场景下多任务类型混合调度时的可调度性分析问题,同时也不能支持系统运行时新任务的动态载入,阻碍了星载操作系统的智能化和多样化发展.针对该问题,本文以保障航天器的实时性需求及功能的可扩展性为研究目标,提出基于任务关键等级的两级准入控制策略.通过模型建立对任务的时间特性进行了描述,并全面分析了高优先级任务产生的最大干扰时间,进而分别提出基于干扰时间上界和基于响应时间分析的可调度性判定方法.实验结果表明,相较于现有算法,本文方法极大地减小了高优先级任务干扰时间的计算开销,并通过对任务运行时信息的追踪,改善了算法实时性能,提升了处理器利用率,为解决航天器系统中零散任务的准入控制问题提供了理论基础.     

基于深度强化学习的航天器多约束规避动作快速规划

航天器规避机动过程中面临多种复杂约束条件,传统基于数值优化的动作规划方法在处理相应模型和约束条件时存在初值敏感、计算时间较长等问题,难以对近距离轨道威胁做出及时反应.针对该问题,本文提出一种基于深度强化学习的航天器多约束规避动作规划方法.建立航天器六自由度非线性动力学模型以及相应姿轨机动约束条件;建立基于双延迟深度确定性策略梯度(TD3)的动作规划方法,通过TD3训练得到的神经网络在线生成满足多种约束条件的规避机动动作;构造与规划方法相适配的深度强化学习规范化训练环境,确保学习训练过程中智能体和环境的有效交互.仿真结果表明,所提方法能在预期交会时间仅数十秒的情况下快速实时生成规避动作,规划周期小于9 ms,远低于作为对比项的高斯伪谱法.     

基于DSP平台的航天器软件在轨维护实现方法研究*

摘要： 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.     

伴飞航天器轨道修正点状态的最小二乘估计

研究了近圆轨道航天器长期伴随飞行在轨道修正时刻相对状态的最小二乘估计方法。针对长期伴飞航天器在固定时刻进行轨道修正的特点,提出采用最小二乘估计方法对轨道修正时刻的相对位置状态进行估计,并基于模型误差特点提出对该算法进行改进的加权最小二乘估计算法。算法具有计算相对简单、算法灵活等特点。仿真结果表明,对于固定时刻的状态估计,这种加权最小二乘估计算法和扩展卡尔曼滤波算法的效果相当,能够满足在轨长期伴随飞行在轨道修正时刻的相对状态估计精度要求。     

航天器高精度自主导航技术——基于X射线脉冲星的组合导航系统方案

航天器自主导航是指航天器利用各种测量信息实时确定位置、速度、时间及姿态的方法和技术。完整的自主导航包括4个基本过程：路径规划、当前状态、航迹偏差和偏差修正,因此在实际工程应用中,导航、制导与控制（GNC）系统往往是一体化设计的。航天器自主导航具有极其重要的工程应用价值和战略研究意义,具体体现在两个方面：一方面可以减轻地面测控系统的工作负担,减少测控站的布设数量,减少地面站至卫星的信息注入次数,降低航天器（包括星座）系统建设和长期运行维持的费用;另一方面能减少航天器对地面测控系统的依赖,增强系统的抗干扰、抗摧毁和自主生存能力,然而,从航天器自主导航应具有的自主完备性能、实时操作、不发信号、不依赖于地面站以及长时间运行等基本特征来看,目前航天器尚未实现真正意义上的自主导航,绝大多数航天器仍然依赖地面跟踪测量系统来完成导航任务。     

X射线脉冲星脉冲到达航天器时间测量

X射线脉冲星脉冲到达时间(TOA)的空间测量是航天器自主导航和用脉冲星钟作航天器时间标准的基础.在简要介绍地面射电观测TOA测量方法基础上,重点研究了X射线脉冲星脉冲到达时间的空间测量方法和算法.讨论了利用X射线脉冲星辐射光子到达时间观测,建立X射线脉冲轮廓的方法;给出了通过观测得到的X射线脉冲轮廓与标准脉冲轮廓比较,精确确定TOA的测量方法和实用算法.讨论了削弱多普勒效应对TOA测量影响的方法.      

Autonomous navigation using the TDRSS Onboard Navigation System (TONS)

The National Aeronautics and Space Administration (NASA) Goddard Space Flight Center (GSFC) is currently developing a Tracking and Data Relay Satellite (TDRS) System (TDRSS) Onboard Navigation System (TONS) to provide onboard knowledge of highly accurate navigation products autonomously to users of TDRSS. The TONS I operational system processes Doppler data derived from scheduled forward-link S-band services to provide onboard orbit and frequency determination and time maintenance. TONS I is implemented using a stable onboard frequency reference, a Doppler measurement capability in the user transponder, and onboard navigation/signal acquisition software. The success of the TONS experiment (1992/1993), which was implemented on the Explorer Platform/Extreme Ultraviolet Explorer (EP/EUVE) spacecraft, demonstrated the flight readiness of TONS I. TONS II-A provides the user with additional Doppler data derived from an S-band beacon signal, available approximately 80 percent of the time. This paper describes the TONS operational capabilities, configurations, and expected performance.     

基于Event B的中断管理需求和设计形式化建模与验证方法

随着软件复杂度的迅速增长,传统的基于测试的方法逐渐难以满足航天器操作系统的可靠性和安全性需求,形式化方法逐渐成为航天器操作系统安全可靠性的有效保障.基于Rodin平台,采用Event B形式化语言,通过需求和设计重写、制定精化策略并逐步精化的方法,对航天嵌入式操作系统SpaceOS2的中断管理模块建立了需求层和设计层形式化模型,将模型检验和定理证明相结合,验证模型的正确性并且满足安全性质.     

Formation flying for magnetic sails around artificial equilibrium points

This paper investigates the problem of magnetic sail-based spacecraft formation control around the artificial equilibrium points (AEPs), which can eliminate the requirement of the propellant. The thrusts are achieved by utilizing the interaction between the solar wind and the artificial magnetosphere generated by superconducting current coil onboard. The circular restricted three-body problem (CRTBP) of magnetic sail is discussed including the allowed regions and linear stability of AEPs, the locations of collinear AEPs and the possibility of existence of periodic orbits around the collinear AEPs. Next, the dynamical models of magnetic sail formation around the collinear AEPs are established. A novel fast fixed-time nonsingular terminal sliding mode controller (FFNTSM) based on fixed-time disturbance observer (FTDO) is developed to account for external disturbances. Several numerical simulations are conducted to substantiate that spacecraft formation can be precisely controlled by the proposed propellantless propulsion method in the presence of external disturbances.     

Decay rate of the second radiation belt.

Variations in the Earth's trapped (Van Allen) belts produced by solar flare particle events are not well understood. Few observations of increases in particle populations have been reported. This is particularly true for effects in low Earth orbit, where manned spaceflights are conducted. This paper reports the existence of a second proton belt and it's subsequent decay as measured by a tissue-equivalent proportional counter and a particle spectrometer on five Space Shuttle flights covering an eighteen-month period. The creation of this second belt is attributed to the injection of particles from a solar particle event which occurred at 2246 UT, March 22, 1991. Comparisons with observations onboard the Russian Mir space station and other unmanned satellites are made. Shuttle measurements and data from other spacecraft are used to determine that the e-folding time of the peak of the second proton belt. It was ten months. Proton populations in the second belt returned to values of quiescent times within eighteen months. The increase in absorbed dose attributed to protons in the second belt was approximately 20%. Passive dosimeter measurements were in good agreement with this value.     

可见光/激光组合的相对位姿测量研究

针对可重构航天器模块超近距离对接场景下特征点消失问题，提出一种可见光/激光的高精度相对位姿测量方法。该方法先通过可见光/激光组合对初始相对横滚角误差进行校零，完成粗校准环节；然后通过激光二维双镜反射法进行精确的相对位姿解算，获得高精度相对位姿数据。仿真结果表明，在现有技术条件下，该方法在模块相对距离在100cm内可不依赖视觉特征点，实现±1.2mm和±0.03°的相对位姿测量精度，为模块航天器对接后续的超近距离高精度位姿控制奠定基础。