航天器传动部件振动数据稀疏多分类智能故障诊断

针对航天器传动链机械零部件发生故障时训练数据稀缺以及信号的强非平稳\非线性特点,提出了动态数据驱动的子空间稀疏多分类智能故障诊断算法。首先对采集的单一传感器动态信号进行分形小波变换,生成常规和非常规二进小波尺度。然后对生成的各子空间提出基于故障能量指标的稀疏多分类器,以监测部件的故障特征频率为搜索目标,在子空间的包络解调谱上计算特征频率及其倍频附近的能量峰值,导出特定故障模式的稀疏评价指标,以各种故障模式的最大值识别和判定故障类型。所提出的算法完全实现了无人工监督的智能故障诊断。最后以航天器轴承故障诊断为例验证了该算法的有效性。所研究算法的泛化能力较强,技术路线同样适用于其他航天器传动部件的在线监测与故障智能预警。     

航天器远程自主交会方法设计与实现

为解决未来交会对接任务的自主化问题,提出航天器远程自主交会方法。给出适用于远程自主交会的变轨策略,设计航天器上自主变轨规划算法,通过初值计算和精确解迭代两个步骤对变轨策略进行求解,获得变轨控制参数。采用拟平均根数法结合平均密度法进行轨道预报,在尽量保证模型精度的同时极大降低了轨控参数求解过程中的在轨计算量。仿真结果表明,使用该方法规划的远程导引段轨道控制,可使终端精度满足指标要求,且方法简单可靠、合理可行,具有工程应用价值。     

NPF算法在X射线脉冲星导航中的应用研究

针对X射线脉冲星导航中航天器模型的强非线性、高阶模型不确定性等问题,提出应用非线性预测滤波(NPF)算法实时估计航天器的轨道信息。首先,建立具有模型不确定性的X射线脉冲星导航定轨指标函数,优化得到满足指标函数最小的系统模型误差值,通过降低模型不确定性的影响来提高航天器自主定轨精度。对STK生成的“火星探路者”和“金星快车”及“北斗一号”三种航天器轨道数据进行分析,仿真结果表明,该算法比EKF算法具有更高的定轨精度,能够满足深空以及近地轨道航天器的自主定轨精度指标要求。     

新型截尾试验下航天器电源系统的可靠性评估

在具有随机移走的逐步增加Ⅱ型截尾试验模型下,利用极大似然和Bayes方法分别给出了某航天器电源系统部件的参数和可靠性估计,并利用Tierney and Kadane近似和Gibbs抽样算法解决了Bayes估计中高维积分的计算问题.最后通过仿真实例对某航天器电源系统进行可靠性评估,并将各估计结果进行比较,验证了本文估计方法的可行性和有效性.     

基于ProE的航天器三维屏蔽与辐射剂量评估方法研究

为准确评估结构异常复杂的航天器内部遭遇的辐射剂量,本文将直线近似原理和ProE工程软件相结合,自主开发了一种新型的航天器三维屏蔽与辐射剂量评估方法。利用本方法对立方体、球、平板等简单几何体内部的屏蔽厚度和辐射剂量进行了分析计算,计算结果表明基于ProE的三维屏蔽与辐射剂量计算方法是可靠的。结构复杂程度相当于中等规模航天器的模型计算结果表明,本方法能够较高效的分析评估复杂航天器内部遭遇的屏蔽厚度和辐射剂量。
     

轮控航天器的IMM自适应反步变结构容错控制

针对存在飞轮故障、转动惯量不确定性和干扰力矩的轮控航天器姿态机动问题,提出了一种基于交互多模型算法(IMM)的自适应反步变结构容错控制方法。该方法可以有效提高系统控制精度,保证航天器姿态机动误差收敛到系统平衡点的较小邻域;同时有效减小飞轮抖振,降低诊断不确定性对系统的影响。最后在Matlab/Simulink环境下对航天器姿态机动进行了仿真研究,结果表明了提出的控制算法在处理航天器姿态机动问题方面的有效性和可行性。     

航天器1553B总线控制器RAM故障自主诊断与处理方法

在航天器中,1553B总线控制器(BC)作为总线信息交互的管理中枢,其可靠性直接关系航天器的系统安全。近年来,受单粒子事件的影响,多个航天器在轨发生总线芯片RAM损坏的故障。文章针对此问题,结合总线芯片BC模式的典型应用场景进行分析,提出RAM故障诊断的策略和自主分区故障处理的方法。该方法能够使BC端软件通过诊断自主发现故障,定位故障区域,并通过替换、隔离等手段排除故障,消除故障对航天器的影响。通过软件仿真,对故障诊断和处理的性能进行了试验验证,结果表明:采用该方法的软件能够自主发现故障区域并完成隔离和替换,且其处理的准确性和时效性都明显优于传统依赖地面遥控的方法。     

欠驱动刚性航天器可行轨迹生成算法研究

研究了仅有两个独立控制力矩的轴对称欠驱动刚性航天器的可行轨迹生成问题。首先,由系统模型推导出轴对称欠驱动航天器可行轨迹必须满足的状态约束条件;其次,基于轴对称欠驱动航天器的微分平滑特性,提出了一种可行轨迹生成算法。该算法针对欧拉角姿态描述的系统模型,不仅能够有效地简化系统平滑变换中的奇异点避让问题,而且即使是在大角度机动的情况下,仍然能够保证轴对称欠驱动航天器的姿态角速度和相应的控制输入力矩始终保持在合理的范围内。仿真结果表明,该算法计算量小、计算速度快,这使得欠驱动航天器后续的轨迹规划和轨迹跟踪等算法的在线实际应用成为可能。     

对接靠拢段的一种相对导航算法研究

自主相对导航技术是空间交会对接靠拢段的关键技术之一。Unscented卡尔曼滤波(UKF)是基于Unscented Transform(UT)变换的一种新型滤波器,它避免了扩展卡尔曼滤波(EKF)的线性化误差,不必计算Jacobian矩阵,而且其状态估计精度要比EKF的高。本文研究了基于UKF滤波器的自主相对导航算法。该算法根据追踪航天器上交会雷达的测量值,采用UKF滤波器对追踪航天器和目标航天器之间的相对位置和速度进行了估计,仿真结果表明该算法可以满足位置和速度估计精度的要求。     

柔性航天器自由飞行状态系统基频的估算方法

首先分别采用部件模态和系统模态建立柔性航天器在轨运行状态下的动力学方程；重点推导了航天器系统模态与其部件模态之间的模态恒等式，得到了由部件模态计算系统模态频率的一般公式；然后结合目前航天器的常见构型，对一般公式进行合理简化，得到了估算航天器系统基频的简化公式；最后给出了简化公式的工程应用算例。     

基于快速终端滑模的航天器自适应容错控制

针对存在不确定的执行机构部分失效故障和未知外界扰动的航天器姿态跟踪控制问题,提出了一种基于自适应快速终端滑模控制的容错控制方法。在没有故障检测与诊断信息的情况下,采用快速终端滑模控制原理,利用自适应算法在线估计得到的故障信息,设计具有鲁棒性的容错控制器,使系统在执行机构故障发生时,能在有限时间内以指数收敛,实现系统有限时间渐近稳定,以及对航天器的容错控制和干扰的抑制。仿真结果表明,与基于普通滑模控制器的容错控制相比,该方法在保证系统鲁棒性和可靠性的同时,具有更快的收敛速率,实现执行机构故障时有效的航天器姿态跟踪控制。     

基于功能单元的分层诊断技术研究及在航天器中的应用

复杂系统多故障诊断的计算复杂性一直是一个难题。现给出了一种定性诊断模型:将功能单元引入到系统建模中并与结构抽象技术相结合构建分层诊断模型(SPS树)。推理时运用分层诊断策略及相关诊断定理,减少了多故障诊断的计算量,提高了效率。此方法在某卫星电源系统中得到了应用。证明该方法诊断速度快,诊断结果完备,可以实现对未知故障的诊断,适用于卫星这类复杂系统的多故障诊断。     

基于多信号模型航天器多故障诊断技术研究

最优多故障诊断问题是一个NP-COMPLETE问题。本文针对卫星电源这类复杂航天器系统，建立了多信号模型，该模型采用有向图描述元件与测试间的因果依赖关系。考虑系统元件发生故障的先验概率以及可用的测试工具，给出了一种基于拉格朗日松弛和子梯度优化算法的近最优多故障诊断算法。该建模方法与诊断方法在某卫星电源系统测试中得到了验证，结果表明该方法建模简单，诊断速度快，适用于航天器这种复杂系统的多故障诊断。     

无速度测量下的航天器安全接近位姿一体化控制

针对考虑位姿耦合的非合作航天器交会对接场景,在没有速度测量情况下为了同时解决安全约束、模型不确定性、执行器故障和输入饱和问题,提出一种基于容积卡尔曼滤波算法(CKF)的自主安全接近方法。首先基于容积卡尔曼滤波器和扩张状态观测器(ESO)分别估计目标航天器的位姿信息和相对速度信息;然后通过将一种新颖的安全包络与人工势函数(APF)结合设计自适应滑模控制器,并设计非奇异辅助系统对执行器故障和输入饱和带来的影响进行集中处理。提出的控制策略在不违反安全约束情况下,能在固定时间内实现位置接近和姿态同步。通过李雅普诺夫方法可以保证闭环系统固定时间稳定。仿真结果表明,所提控制方法具有较高的精度和良好干扰抑制能力。     

卫星动量轮闭环系统的UIO双观测器故障诊断

本文对于卫星动量轮闭环系统提出了一种基于UIO双观测器的故障诊断方法,该方法通过分析观测器残差向量的变化来分离执行机构、传感器及系统参数故障,并且可以通过隔离观测器反映出传感器的故障模式.文中首先对闭环系统故障诊断特点、UIO故障诊断方法及卫星动量轮闭环系统进行了简要介绍;接着分析了UIO双观测器法应用的条件;然后引入卫星动量轮闭环系统的模型;最后通过仿真实验证明利用本文中所提出的方法可以成功地诊断并分离出执行机构、传感器及系统参数的故障,并在传感器故障时可以确定出故障模式.     

基于扰动观测器的巡航飞行器指数时变滑模控制

针对巡航飞行器非线性模型具有快时变、强耦合和高度非线性的特点,在考虑飞行过程中可能存在的气动参数以及大气密度不确定性情况下,提出了一种高精确、强鲁棒控制方法。通过将扰动观测器与指数时变滑模控制方法结合,构造了一种基于扰动观测器的巡航飞行器指数时变滑模控制设计方法,并利用Lyapunov理论分析了采用该控制律后整个闭环系统的稳定性。该方法能够有效地减小采用边界层方法来处理滑模抖振问题时所引入跟踪稳态误差,提高系统控制精度。最后,通过仿真验证了所提出方法的有效性。     

基于可满足性问题求解器的星上FPGA永久损伤容错技术研究

现代卫星广泛使用的FPGA在空间高能粒子的影响下,会产生门电路的永久性损伤。而传统的三模冗余等容错方法不但成倍增加了系统硬件开销,还存在因冗余器件耗尽而失效的风险。因此,提出一种利用FPGA自身冗余资源,修复永久性损伤的容错方案。该方案通过建立FPGA内部资源的功能模型,将容错问题转化为数学上的可满足性问题。并且利用经过改进的GSAT算法对该问题求解,可以获得在功能上与损伤前完全相同的电路结构,及其所对应的FPGA配置文件。将该文件重新下载到FPGA中,可以屏蔽损伤带来的影响,从而达到利用FPGA自身冗余资源容错的目的。通过实验和分析可以看出,本文方案具有对损伤修复成功率高、计算量小和需要内存空间少的特点,因此符合星上计算能力和硬件资源十分有限的实际情况。     

一种红外点目标图像高保真压缩方法

针对红外点目标图像的特点,融合目标检测与无损-近无损压缩技术,提出了一种目标-背景分类的高保真压缩方法。将红外图像分成若干子块,对每个子块进行基于"最大中值滤波"背景抑制算法的点目标检测,根据检测结果将图像子块分为包含疑似目标的目标子块和不含目标的背景子块,对目标子块图像无损压缩,对背景图像子块近无损压缩,从而提高红外遥感图像压缩比,降低数据传输量,减轻数据传输压力。实验结果表明:所提的方法与传统全图无损压缩方法相比,能在不损失点目标信息的高保真压缩前提下,使图像压缩比提高40%以上。该方法对星上实时处理系统、红外探测跟踪系统的设计具有一定的理论和工程应用价值。     

单模式LIPS-200离子推力器的寿命及可靠性定量评估

针对离子推力器产品工作寿命及可靠性定量评估的难题,结合单工作模式LIPS-200离子推力器产品成熟度提升需求,通过寿命主要影响因素耦合分析,应用试验数据、数值模型和数理统计方法,提出了单工作模式离子推力器寿命及可靠性定量评估的可行技术途径:通过分析模型、验证试验和数值模型之间的不断迭代实现各失效模式对应磨损模型的精细化...     

基于北斗Ka星间链路的地面用户导航方法

针对导航系统L频段信号易受到有意或无意的干扰和欺骗,而导致地面区域性导航服务性能下降甚至失效的问题,提出了一种利用北斗Ka星间链路信号为地面用户提供导航服务的方法。首先,对该方法的可行性进行了研究,并给出了星间链路时分体制下的用户测距模型;然后,提出了基于时钟模型和惯导信息的测距值历元归算方法,并推导了基于北斗星间链路测距值的地面用户实时定位算法;最后,通过数值仿真分析了不同因素对算法性能的影响。仿真结果表明,该方法定位精度可达2.0 m以内,能够在一定程度上弥补L频段导航信号区域性失效带来的缺失。