人工智能在航天器制导与控制中的应用综述

航天器制导与控制技术是保障空间任务顺利实施的关键技术之一。当前,动力学模型的强非线性以及参数不确定性制约了高精度姿轨控技术的发展,而系统故障则决定航天器姿轨控的成败。以机器学习为代表的新一代人工智能技术航天器制导控制领域展现了巨大的应用潜力。首先对基于人工智能技术的轨迹制导和姿态控制中的研究发展及应用现状进行归纳,分析航天器轨迹规划、姿态控制、故障诊断以及容错控制技术的发展趋势。然后,从鲁棒轨迹规划、自适应姿态控制、快速故障诊断和自适应容错控制等4个方面总结适用于未来航天任务的航天器姿轨控关键技术。最后,针对智能姿轨控技术的应用所面临的挑战,从姿轨控架构、算法最优性、算法的训练以及技术验证等方面提出相应的发展建议。     

空间机器人研究进展及技术挑战

空间机器人是实现空间操控自动化和智能化的使能手段之一,在无人及载人的空间科学探索活动中至关重要。首先,回顾了国际空间站舱内外机器人、中国空间站机器人、在轨自由飞行空间机器人等几类轨道空间机器人工程应用现状,以及已成功在轨应用月面机器人和火星机器人两类星表机器人系统的应用现状。其次,针对空间机器人后续日益复杂的任务需求,探讨了空间机器人在机构构型、关节驱动、末端操作、感知认知、行走移动、动力学与控制等方面面临的技术挑战。然后,论述了空间机器人在多臂、超冗余、柔性化、可重构、仿生等新型机构构型方面的探索,介绍了空间机器人主动、被动柔顺关节方面的研究进展,论述了空间机器人末端执行器在专用化工具及通用化多指灵巧手两个方向的研究进展,总结了星表机器人在新型移动机构构型、高自主导航方面的研究进展,介绍了空间机器人在多传感器集成融合、力与触觉感知方面的研究进展,论述了空间机器人在多臂协调控制、柔顺控制、漂浮基座抓捕动力学控制等方面的研究进展。最后,展望了空间机器人在空间目标抓捕与移除、高价值飞行器在轨服务与维修、空间大型构件在轨组装及星球科学探测等方面的应用前景。     

天地一体化飞行器测控通信网络体系构建

空间信息综合应用是未来航天的发展趋势,引进网络化技术,打造天地一体化测控通信网是实现信息综合应用的必由之路.一体化测控通信网作为空间信息传输、分发的公共基础设施,将各类飞行器、地/海/空/天基测控站（接收站）及指控中心、测控中心、用户等都作为网中的标准节点,以实现测控通信任务统一指挥控制、飞行器态势综合显示、测控通信资源综合利用和可持续发展.从新时期航天科技的发展特点得出,空间网络化是必然发展趋势.总结了国内外航天网络化发展的研究成果,提出测控通信网络化的定义、未来体系结构以及实施步骤,设计了空间网络化飞行验证试验的基本方案,剖析了空间网络化体系构建的关键技术.     

空间在轨装配技术综述

代表国家科技实力的空间站、空间望远镜、大型通信天线、空间太阳能电站、在轨燃料补给站、深空探测中转站及地外基地等空间大型平台和基础设施的建设需求日益迫切,如何对此进行智能自主建造是当前的巨大技术挑战。鉴于大型平台与基础设施在未来空间探索中的重要性,国内外航天研究机构均提出并发展了在轨装配的系列技术方案。本文主要对在轨装配研究现状和技术发展情况进行系统地综述。首先分析了有人与无人在轨装配的国内外技术进展,总结了在轨装配技术的发展路线、装配层次与方法;然后在此基础上,详细梳理了在轨装配的技术需求和应用前景,并得出在轨装配的使能关键技术——模块化技术、机器人技术和地面模拟装配技术,预期为中国未来的空间在轨装配研究提供有益的参考。     

悬吊式微低重力环境模拟技术研究现状与展望

宇航空间中的微低重力环境使得所处其中的航天器和宇航员表现出与在地面重力环境下不同的受力状态和动态性能,因此需要在地面对这种微低重力环境进行模拟。综述了目前常用的几种微低重力模拟方法,其中悬吊法因为模拟时间长、模拟范围大、不引入附加惯量的优势被广泛采用。从微低重力模拟原理角度对现有的悬吊式微低重力模拟系统研究成果进行了分类和国内外研究现状的综述。根据微低重力模拟的需求归纳了悬吊式微低重力模拟系统的2条设计准则和3个关键技术,详细综述了这3个关键技术的研究现状。探讨了未来悬吊式微低重力模拟系统设计方面和3个关键技术方面的发展趋势。     

空间机械臂技术综述及展望

介绍了国外空间机械臂在轨技术验证与工程应用的概况,从任务类型、构型配置、末端执行器与操作方式方面分析了空间机械臂技术的发展趋势。综述了空间机械臂的任务规划、系统控制、路径规划、视觉感知、末端执行器、遥操作控制及地面试验验证7项关键技术。介绍了中国试验七号与天宫二号空间机械臂在轨验证情况,重点介绍了正在研制的中国空间站机械臂基本方案。最后,总结了目前空间机械臂技术存在的问题,并对中国未来空间机械臂技术发展提出了建议。     

大功率高性能航天伺服系统发展综述

回顾了电动、电静液伺服系统国内外发展历程与研究现状,针对未来航天飞行器对伺服系统在结构强度、空间体积、环境适应性、性能指标等方面提出的新要求,在综合评价电动、电静液伺服系统性能的基础上,指出了机载功率电传一体化电作动系统关键技术与设计难点,并提出相应的解决思路,对未来一体化电作动系统发展进行了展望。     

航天智能控制技术让运载火箭“会学习”

高可靠和智能化是未来智能航天器的主要特点,本文聚焦航天器高可靠、智能化的发展需求。梳理了中国运载火箭从无到有、从有到全的发展历程,提出了航天智能技术从航天器的可靠性做起,航天器的可靠性从航天智能控制做起,航天智能控制从"会学习"的火箭做起。围绕航天智能控制技术如何使运载火箭"会学习"的发展架构,进一步探索了"边飞边学"和"终身学习"智能控制技术的理论研究和应用现状,支撑中国"会学习"运载火箭高可靠和智能化的发展。     

航天器进入制导方法综述

航天器制导系统的设计至关重要,直接关乎航天器能否安全返回地球或着陆行星表面指定区域。在给出航天器进入动力学模型的基础上,首先分析了进入制导问题建立及难点,然后综述了航天器进入制导方法的研究现状,分析了各类进入制导方法的优缺点。作为统一或通用方法,介绍了实际应用于中国航天工程再入返回的自适应预测校正制导方法。面向未来发展亟待解决的问题,在线快速规划可行轨迹的重要性凸显,分析了在线轨迹规划方法所需要解决的问题以及今后进入制导方法的发展方向。     

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。     

Modularity,reconfigurability, and autonomy for the future in spacecraft: A review

The shape of a spacecraft is transitioning from monolithic, manual, and static to modular, autonomous, and dynamic. Modular Reconfigurable Spacecrafts (MRSs) offer better solutions than traditional monolithic spacecrafts in several aspects, and may become the next generation of spacecraft systems with efficient design, fast deployment, flexible application, and convenient management. This paper reviews the development and technology of MRS from three aspects: Modularity, reconfigurability, and autonomy. Despite the progress of research on MRS, there is still a lack of unified standards and little understanding of related concepts. Based on the understanding of basic concepts, the studies conducted on MRS are reviewed to identify technical requirements and solutions. Aiming at the future development trend of MRS, a novel modular self-reconfigurable spacecraft, referred to as MagicSat, is proposed. Furthermore, the MagicSat system composition, advantages, and application prospects are studied. The enabling technologies and major challenges of MRS are further analyzed in terms of modularization, integrated management, and self-reconfiguration technologies. Finally, the future development trend of MRS technology is predicted, and corresponding suggestions are provided.     

航天器TDRSS中继终端入网验证初探

针对国内外航天系统的现状,介绍了NASA航天器TDRSS系统的应用情况和中继终端入网验证技术。在此基础上,面向航天器测控的发展方向,从综合利用中继终端入网验证设施、分析中继终端入网验证流程和管理体制方面,探讨了未来我国航天器TDRSS中继终端入网验证的设想。     

高超音速地面模拟设备的研究进展

首先介绍了航天器再入飞行中遇到的真实气体效应问题及其对航天器气动特性所产生的影响。然后对五六十年代以来高超音速地面模拟试验地位的转换进行了简要分析。以空气助力的轨道间运送器、美国国家空天飞机和火星探测器的再入飞行为例,探讨了再入流动对地面模拟设备的设计要求,并回顾了各国在此方面的主要研究进展,最后指出了该领域在未来的发展方向。     

Conception of spacecraft centralized power supply

A reliable power supply for spacecraft is one of the central problems determining the future development of space technology. The traditional solution to this problem implies having an autonomous power plant on board each spacecraft. The most widely used are power plants with solar cells. However, there exists an alternative power supply concept of using a centralized power supply system (CPSS) and power transmission to the user satellites by laser or microwave beams. Use of a CPSS has a number of advantages. In particular, it allows the spacecraft to increase power supply level and service life as well as to decrease the spacecraft mass and cost. However, it sets new physical and technical problems associated with long distance power transmission and requires some changes in spacecraft structure and concepts. The feasibility study of CPSS development and use has to rely on existing or firmly forecastable technologies. An attempt of such an analysis has been done by a group of scientists at Moscow State Aviation Institute during 1994-1996. The very first results have already been published. This paper discusses new results obtained lately regarding a space based CPSS     

面向航天器在轨装配的数字孪生技术

构建航天器在轨维修维护能力是确保空间系统长期稳定工作的有效途径,而对于空间环境中的在轨装配过程的模拟、监控、诊断和预测,目前的研究尚处于探索阶段,研究成果相对较少且缺乏整体解决方案。提出采用构建航天器数字孪生体的方式,来抽象表达航天器完成在轨装配的过程、状态和行为。首先分析了在轨装配航天器的结构组成及功能需求,然后系统阐述了航天器数字孪生体的数据组成、实现方式和作用,最后给出了航天器数字孪生体在设计、制造和在轨服务阶段的实施途径,并对航天器数字孪生体的作用进行了总结和展望。     

下一代数据中继卫星系统发展思考

通过系统阐述中继卫星系统的发展过程,给出了主要国家和组织的中继卫星系统技术体制和现状.再结合卫星、载人航天器和深空探索的未来发展趋势,分析了下一代中继卫星系统的发展需求.在此基础上,从体系结构、卫星平台、链路调制体制、网络协议等方面,探讨并给出了下一代中继卫星系统的发展趋势和技术途径.为满足未来近地、深空航天任务,以及临近、低空快速移动用户的不同要求,节约系统成本,下一代中继卫星系统将向专业化和与其他系统融合的方向发展:星间链路将增加激光链路,数据速率可达到10 Gbit/s以上;多址业务成为主用,同时支持用户数能力将极大提高;对于链路调制体制,在采用CR(Cognitive Radio,认知无线电)和SDR(Software Defined Radio,软件定义无线电)技术的基础上,可实现实时自适应调整和根据需求加载配置;数据传输将采用网络化方式,天地间构成一体化DTN(Delay Tolerant Network,容延迟网络).     

Energy and power

Energy sources for aerospace systems include electrochemicals, mechanical rotation, solar illumination, radioisotopes, and nuclear reactors. Energy is converted to power with engines, turbines, photovoltaics, thermoelectric and thermionic devices, and electrochemical processes. Although some early spacecraft flew with battery power, for longer flights the choice has been either solar or nuclear. Manned spacecraft must have power for the total mission duration including boost into orbit, on-orbit, and subsequent re-entry. Batteries are too heavy for extended manned space missions; tradeoff study alternatives range from radioisotope heated thermionic converters to hyperbolic-fueled engines. Arrays of solar cells are the obvious choice for powering space stations and for other extended-duration missions. This article emphasizes developments for space and airplane power systems. Enabling technologies are described along with significant spin-offs and future systems     

机器人在轨装配无标定视觉伺服对准方法

针对在轨装配过程中机器人"手眼"关系无法进行有效标定及机器人系统和被操作物惯性参数不定的情况,在传统的无标定视觉伺服基础上设计了深度估计器,基于机器人和图像运动的测量数据在线估计目标特征的深度值,并在机器人关节控制环中设计滑模控制器实时控制机器人关节运动,根据反馈图像信息纠正系统误差完成对准跟踪,通过仿真验证了方法的有效性。所提的无标定视觉伺服对准方法使机器人在装配过程中免去了复杂的"手眼"关系的标定程序,克服了机器人系统及被操作物惯性参数不确定性给装配精度造成的影响,提高了"手眼协调"的鲁棒性,保证机器人能够在复杂的太空环境下完成在轨装配任务。     

航天器控制系统智能健康管理技术发展综述

健康管理作为智能自主控制亟待突破的关键技术之一,是提升航天器安全可靠稳定运行能力的有效手段。结合人工智能技术的发展趋势,基于前期已建立的新型航天器智能自主控制系统通用架构,详细综述航天器控制系统的智能健康管理技术现状与发展趋势。首先,根据现有航天器设计、研制和在轨的具体情况,梳理出航天器控制系统健康管理技术所面临的挑战;然后,分别从故障预警、故障诊断和寿命评估3个方面,详细阐述基于人工智能的健康管理技术研究现状及其在航天领域的应用情况;最后,提炼出航天器控制系统健康管理技术的发展方向。     

分离模块航天器研究综述

对分离模块航天器产生的背景及概念进行了阐述和分析,介绍了包括F6系统、天基群组系统、SkyLAN（空间局域网）等在内的几种主要分离模块航天器系统,并在此基础上归纳总结出了分离模块航天器在同轨多模块系统设计、功能系统设计、信息交互技术、队形保持重组及功能适变技术、无线信息传输技术、分布式天线技术等方面的技术特点及难点,最后讨论了分离模块航天器进一步的研究方向和发展前景。