基于FPGA架构的高可靠在轨重构系统设计

航天设备与地面设备相比,制造成本高,对空间环境的适应性要求也高。为了延长航天器寿命,提高其在轨工作的可靠性,需要考虑航天器在空间环境下的可维护性需求。针对航天资产在轨软件实现功能维护的需求,研究空间环境应用背景下的高可靠在轨可重构技术。基于FPGA芯片在航天器领域中应用的广泛性、灵活性及可靠性,设计了一种FPGA架构下的高可靠在轨重构系统。该系统的优势在于充分利用星载设备中普遍使用的“SRAM型FPGA+反熔丝FPGA”的硬件架构,在实现SRAM型FPGA动态刷新功能的基础上仅通过软件更改来增加在轨重构功能,极大降低了硬件更改的成本,扩展了可重构功能的应用范围。在某航天器星载设备中应用该在轨重构系统,通过实际飞行经历,验证了该架构系统设计方案的可行性、可扩展性及可靠性。     

基于FPGA的小卫星通信系统在轨可重构技术研究

小卫星未来在轨任务呈多样化和复杂化发展趋势,可重构技术可以解决小卫星处理能力不足和系统不能灵活扩展的问题。具备可重构功能的小卫星平台可以根据星上的工作状态和当前工作环境重新配置当前设备的工作模式,以适应复杂的空间环境和特殊的空间任务需求。提出一种基于FPGA的小卫星通信系统在轨可重构方案,包括数字基带和射频前端模块的可重构设计。通过FPGA控制加载不同配置文件或者通过卫星上行通道上注加载文件等方式实现功能重构,同时监控小卫星的工作状态,使得小卫星通信系统能够针对不同的航天任务或任务的不同阶段采用不同的通信模式,实现小卫星多功能的灵活扩展。     

一种SRAM-FPGA在轨重构的工程实现方案

针对航天器电子系统在实际工程中要解决的星载资源受限、长寿命、高可靠等特殊问题,文章提出了一种基于静态随机存取存储器型现场可编程门阵列(SRAM-FPGA)在轨重构的方法及工程实施方案,对如何保证数据可靠传输与可靠存储等关键问题进行了讨论,并且给出了在某卫星工程中的具体设计方案和在轨验证情况。结果表明,采取的重构设计圆满完成了目标FPGA的功能升级以及在轨实时刷新,工作稳定正常,可以为其他航天器电子系统设计提供参考。     

面向任务约束的航天器姿控系统在轨重构算法

针对任务约束下的航天器姿态控制系统(ACS)在轨重构问题,提出了一种基于自适应动态规划(ADP)的在轨重构算法。首先,综合考虑航天器在轨任务约束条件设计效用函数和性能指标函数,获得离散Hamilton-Jacobian-Bellman(HJB)方程形式的最优重构策略。其次,采用执行依赖启发式动态规划(ADHDP)方法近似求解HJB方程,避免了直接求解HJB方程的"维数灾难"问题。通过简化设计ADHDP执行网络,提高了迭代训练速度;同时在训练中引入ε-greedy因子,避免了训练算法过早陷入局部最优解。仿真结果验证了所提方法的有效性。     

基于半张量积压缩感知的形变数据重构在航天器结构健康监测中的应用

针对航天器结构健康监测(structural health monitoring, SHM)面临的数据传输和存储量过大问题,提出一种基于半张量积压缩感知(semi-tensor product compressed sensing, STP-CS)的形变数据重构方法。该方法基于形变数据的稀疏性,利用降维的随机高斯矩阵对形变数据进行压缩采样。为了验证该方案的可行性,实验研究了不同的观测矩阵维数与重构性能的关系。结果表明:采用该方法对形变信号进行随机采样,当观测矩阵存储空间减少到传统压缩感知(compressed sensing, CS)的1/64,仍能实现较高精度的重构,有效节省了观测矩阵的储存空间;此外,重构时间也随着观测矩阵维数的降低逐渐缩短。因此,该方法为解决航天器SHM面临的数据传输和存储挑战提供了新的解决思路。     

仅利用输出信号的挠性航天器模态参数子空间在轨辨识算法

为了在轨获得精确的挠性航天器模态参数,在子空间辨识算法的基础上,给出了一种仅利用输出信号的挠性航天器模态参数在轨辨识算法。其特点是输入信号不必是白噪声,且当输入信号不易测量时,只利用被噪声污染的输出信号就能进行模态参数的在轨辨识。通过对哈勃太空望远镜(HST)和MiniMast 空间挠性结构两个算例的仿真,验证了算法的有效性和实用性。     

航天器综合电子系统在轨重构容错技术研究

重构容错技术是指利用可重用的软硬件资源,根据不同的任务需求或故障情况进行重新配置,从而可以实现在轨升级或故障修复。文章在介绍重构容错技术的基础上,以NASA的SpaceCube处理器和BittWare公司的重构处理器为典型案例,阐述了其系统构架、重构容错设计和应用情况,总结分析了航天器综合电子系统重构容错技术的优势,如减少系统的冗余和备份,降低制造和修复成本,实现系统内部局部故障的自修复等。借鉴国外重构容错技术的发展和应用,总结出国内航天器综合电子系统重构容错技术应用存在的问题,如缺乏标准化的功能模块设计、在轨故障诊断精度较低等,并提出应开展在轨重构需求分析,以及功能模块化和可重构性的方案设计等建议,可为国内航天器综合电子系统的在轨重构容错设计及相关研究工作提供参考。     

基于反熔丝型FPGA的有效载荷可重构技术

针对在轨卫星功能维护、扩展和更新的需求，设计一种星载FPGA可重构方法。通过硬件三模冗余、软件三模比对，提高星载信号处理FPGA配置的可靠性；通过地面向卫星配置FPGA发送擦除、写、读指令，实现星载配置数据存储FLASH芯片的擦除、写、读操作，从而实现星载信号处理FPGA的重构，进而可以实现有效载荷功能的在轨更新或升级，减少硬件重复开发，降低成本。     

高速传输图像压缩系统设计与实现

介绍一种高速传输图像压缩系统的设计和硬件实现方案。编码方法用一种改进的 SPIHT压缩编码算法 ,基于一片十万门 FPGA实现压缩核心算法的硬件。该系统目前已经实现了对帧尺寸为 1 2 8× 1 2 8,8bpp,帧频为 1 0 0 f/s的连续图像进行高速实时压缩 ,若作优化还可达到更高的帧频 ( >1 5 0 f/s)     

“多对多”模式下GEO卫星在轨加注任务规划

随着在轨服务技术的发展和对航天器发射运营成本的控制，航天器在轨服务模式将由“一对一”服务逐步发展为“一对多”“多对多”的服务模式。在具有多个服务目标的模式下，针对服务航天器的任务分配与规划将变得尤为关键。因此，本文研究了多服务航天器为多个地球同步轨道(GEO)卫星进行在轨加注的任务规划问题。首先，考虑服务航天器容量约束、服务路径约束等多类约束条件，以最小化燃料消耗为优化指标，以每个服务航天器的服务顺序为决策变量，建立“多对多”在轨加注任务规划模型。其次，针对遗传算法局部搜索能力差、易陷入局部最优的缺陷，设计了一种将大邻域搜索算法和遗传算法相结合的混合启发式算法(LNS-GA)，用以求解该任务规划问题。该算法利用大邻域搜索算法中的“破坏”和“修复”思想，对遗传算法每一代种群中的精英个体进行进一步的迭代搜索，从而增强算法的局部搜索能力。最后，通过设定的仿真场景与单一遗传算法进行仿真对比，验证了本文所提出算法的有效性和优越性。