Attitude coordination for spacecraft formation with multiple communication delays

Communication delays are inherently present in information exchange between spacecraft and have an effect on the control performance of spacecraft formation. In this work, attitude coordination control of spacecraft formation is addressed, which is in the presence of multiple communication delays between spacecraft. Virtual system-based approach is utilized in case that a constant reference attitude is available to only a part of the spacecraft. The feedback from the virtual systems to the spacecraft formation is introduced to maintain the formation. Using backstepping control method, input torque of each spacecraft is designed such that the attitude of each spacecraft converges asymptotically to the states of its corresponding virtual system. Furthermore, the backstepping technique and the Lyapunov–Krasovskii method contribute to the control law design when the reference attitude is time-varying and can be obtained by each spacecraft. Finally, effectiveness of the proposed methodology is illustrated by the numerical simulations of a spacecraft formation.     

航天器自动化测试语言研究

航天器测试语言是支撑航天器自动化测试的形式体系及航天器测试过程标准,在当前多航天器批产网络化测试的新需求下,测试语言标准体系研究对于提高航天器测试自动化水平和保障测试过程安全具有重要意义。通过对现有典型航天器测试语言的全面分析和比较,总结出基本特征,并结合当前先进的网络计算技术,提出了我国航天器测试语言发展的目标和方向,同时针对国内航天器测试语言研究设计工作的不足,给出一种航天器测试语言CATOL(China Aerospace Test and Operation Language)。该研究对提高我国航天器测试业务规范水平和测试人员的工作效率、促进航天器测试自动化研究的发展将起到一定的推动作用。     

大型低轨道载人航天器电位主动控制

采用高电压太阳电池阵供电系统的低轨道(LEO)大型航天器会收集周围空间环境电子电流,使其被充电到较高的负电位,从而对航天器交会对接和航天员出舱产生严重的危害,因此对这种航天器表面电位进行主动控制可有效降低航天器运行风险和保障航天员安全。采用地面模拟试验的方法,利用空心阴极等离子体接触器发射电子的手段,模拟太空环境下对带负电航天器表面电位进行有效控制。研究结果表明,最小工质流率大于4.0 sccm时空心阴极发射的电子电流可以抵消航天器吸收的电子电流,实现航天器电位的自适应控制,将航天器表面电位钳制在20 V之内;且随着氙气流率的增加,钳位电压会更小。这一方法将有效避免航天员出舱活动和航天器交会对接时的放电危险,对中国航天器带电效应防护具有很重要的意义。     

航天器自动化测试语言的设计与实现(英文)

航天器自动测试系统是基于各种测试标准的航天器综合测试信息化系统,测试语言是关于各种测试标准描述的形式体系,是提高测试效率的重要手段。在我国多航天器测试的新需求下,航天器测试语言的研究已成为航天器测试领域面临的新挑战。结合当前的测试需求,本文提出了一种高阶航天器测试语言CATOL(China Aerospace Test and Operation Language),介绍了语言的组成结构。为了刻画和定义航天器测试过程,给出了该语言子集 CATOL-PR的语法和操作语义,实现了该语言的原型系统。该语言可促进国内航天器测试的标准化工作,提高测试人员工作效率,使航天器自动化测试工作得到进一步发展。     

Spacecraft formation-containment flying control with time-varying translational velocity

This paper investigates the problem of Spacecraft Formation-Containment Flying Control (SFCFC) when the desired translational velocity is time-varying. In SFCFC problem, there are multiple leader spacecraft and multiple follower spacecraft and SFCFC can be divided into leader spacecraft’s formation control and follower spacecraft’s containment control. First, under the condition that only a part of leader spacecraft can have access to the desired time-varying translational velocity, a velocity estimator is designed for each leader spacecraft. Secondly, based on the estimated translational velocity, a distributed formation control algorithm is designed for leader spacecraft to achieve the desired formation and move with the desired translational velocity simultaneously. Then, to ensure all follower spacecraft converge to the convex hull formed by the leader spacecraft, a distributed containment control algorithm is designed for follower spacecraft. Moreover, to reduce the dependence of the designed control algorithms on the graph information and increase system robustness, the control gains are changing adaptively and the parametric uncertainties are handled, respectively. Finally, simulation results are provided to illustrate the effectiveness of the theoretical results.     

磁强计在航天器上的应用与前景

随着科学的进步,磁强计已被广泛地应用于航天器.本文首先根据磁强计测量原理的不同,对其进行分类.分别介绍各类磁强计的物理测量原理,描述其特性、精度、适用范围.同时概括目前在航天器得到较广泛应用的磁强计.在此基础上,进一步具体分析磁强计作为卫星载荷、姿态测量和控制以及自主导航轨道计算的方法、作用和特点.然后,针对这三个方面应用指出其在航天器上应用存在主要问题和关键技术.最后,对磁强计在航天器上的应用进行总结.同时对其未来的发展进行展望,磁强计在航天器上仍有着良好发展前景.     

基于椭圆空腔虚拟势场的航天器集群控制方法

航天器集群由多个航天器在空间轨道上近距离飞行,进行信息交换,并相互协同共同完成空间任务。航天器集群作为智能集群在空间领域的表现形式,是智能集群的重要组成部分。当前,许多空间科学研究机构提出了多个航天器集群的研究计划,如 ANTS计划、APIES计划等。文章以在小行星带探测航天器集群为研究对象,提出了航天器集群的自组织控制方法,利用虚拟势场力使得与这个参考航天器构成最大距离可控的空间构型,从而保 证了航天器集群中的所有航天器共同构成松散空间构型。     

在轨服务的相对运动耦合动力学建模与分析

研究在轨服务航天器逼近与捕获目标航天器的相对轨道姿态耦合动力学建模问题。考虑航天器姿态与对接位置的运动耦合,建立目标运行在任意轨道下的相对轨道姿态耦合动力学模型,并对模型中的运动耦合进行深入分析。设计一种非线性的输出反馈姿态控制律,将建立耦合动力学模型与CW方程进行仿真比较,验证轨道与姿态的运动耦合对两航天器对接点之间相对位置的运动影响。     

基于对偶数的航天器多特征融合相对导航算法

针对基于视觉的航天器相对导航问题,利用对偶数推导并给出了航天器相对耦合动力学方程,该方程一体化描述了追踪航天器相对于目标航天器的姿态运动和轨道运动,且考虑了由非质心点引起的相对姿态与相对轨道之间的耦合影响。在对偶代数的框架内,统一描述了目标航天器上的特征点和特征线,并基于特征点、线在像平面的投影建立了多特征融合的单目视觉测量模型。最后通过对系统状态方程以及测量方程的线性化,应用迭代扩展卡尔曼滤波(IEKF)算法对非质心点的相对运动状态进行了估计。仿真结果表明,本文的算法能够对航天器非质心点的相对运动状态进行较高精度的估计。     

航天器自主导航状态估计方法研究综述

自主导航是航天器自主运行的核心关键技术。状态估计是实现航天器自主导航的核心手段,是指实时确定航天器在轨位置、速度和姿态等导航参数,是航天器自主导航技术的重点发展方向之一。首先,针对航天器自主导航的实际需求,阐述了研究航天器自主导航状态估计方法的必要性,具体从导航系统可观测性分析、导航滤波算法、导航系统误差补偿3个方面介绍了航天器自主导航状态估计方法的研究现状;然后,分析并总结状态估计方法在航天器自主导航系统中的实际应用;最后,结合理论研究和实际应用,给出了状态估计方法目前存在的主要问题并对其后续发展进行了展望。     

基于单故障叠加的航天器故障数据仿真方法

针对测试故障诊断系统可靠性的问题,在传统基于对故障航天器的参数估计模拟的故障数据仿真基础上,提出一种基于单故障叠加模型的航天器复杂故障数据仿真方法,新型数据仿真方法能够在有限次迭代的情况下逐次逼近仿真航天器故障数据,对航天器故障的仿真实验证明,该方法可广泛应用于各类航天器故障诊断系统的测试过程。     

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。     

基于模型的故障诊断方法在飞船推进系统中的应用

在飞船推进系统的物理和数学模型的基础上,研究了基于模型的故障诊断方法在飞船推进系统中的应用。该方法是某飞船推进系统状态监测与故障诊断专家系统中的关键技术之一。仿真结果表明,这项技术的提出和应用使得根据系统模型对推进系统的不可预知故障进行监测和诊断成为可能。     

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.     

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。     

Space Interferometry Mission spacecraft pointing error budgets

Preliminary error budgets for the pointing knowledge, control, and stability of the Space Interferometry Mission (SIM) spacecraft are constructed using the specifications of commercial off-the-shelf attitude determination sensors, attitude control actuators, and other spacecraft capabilities that have been demonstrated in past missions. Results obtained indicate that we can meet all the presently known spacecraft pointing requirements. A large number of derived requirements are generated from this study. Examples are specifications on attitude determination sensors, attitude control actuators, minimum settling time after a rest-to-rest spacecraft slew. Preliminary error budgets constructed in this study must be updated to reflect the changing spacecraft design and requirements     

在轨服务航天器对目标的相对位置和姿态耦合控制

研究在轨服务航天器自主逼近与捕获目标航天器过程中的相对位置和姿态耦合动力学与控制问题.考虑控制输入耦合,建立服务航天器对目标航天器的相对位置和姿态一体化耦合动力学模型.基于此耦合动力学模型,考虑相对位置跟踪中的控制指令耦合和控制输出受限,利用反馈线性化理论,设计相对位置和姿态一体化耦合控制算法.并利用李雅普洛夫理论证明...     

Avionics for manned spacecraft

The author describes the avionic equipment for manned spacecraft, past, present, and future. He treats the four classic avionic systems-crew interface, flight control, navigation, and communication-and adds a fifth called subsystem management which refers to the monitoring and reconfiguration of equipment when faults occur. He starts by describing the functions of spacecraft avionics in general. He then discusses what he considers to have been the first manned spacecraft, the X-15. He continues with the early US and Soviet spacecraft (including their space stations), the US shuttle, and the European Spacelab. He concludes with projections for the avionics in future manned spacecraft, such as the US Space Station, a lunar base, and planetary explorers     

克服旋转飞行器螺旋运动的方法研究

旋转飞行器虽然具有内在稳定性，但在飞行过程中一些不确定因素会导致飞行器产生螺旋运动，而非理想的关于角动量矢量纯粹的旋转运动。结合旋转飞行器自身的特点，借鉴自旋卫生的被动章动阻尼的方法，提出了一种通过主动控制飞行器内部质量块的运动使得飞行器碑的惯量主轴发生偏移，惯量矩阵由原来的对称阵变为含有非零非对角元素的矩阵，从而改变飞行器的姿态角运动来克服螺旋运动的方法，这将有助于提高旋转飞行器的资态控制精度。以某型旋转飞行器为背景进行仿真研究，计算结果证实了该方法的有效性和可行性。     

航天器返回地球的气动特性综述

航天器返回地球的飞行过程中,气动特性是实现将宇宙飞行速度减到落地前速度、保证再入飞行得到有效控制以及再入防热安全可靠的关键因素。针对简单旋成体气动外形、半弹道式再入控制、烧蚀防热类返回航天器,综述了返回地球过程中变化的空气流域特性、航天器周围的气体绕流环境、空气与航天器作用产生的动力学与热效应等。系统地给出了该类航天器的再入气动特性参数与飞行性能的共性规律,包括:气动阻力与再入减速、气动升力与再入轨迹控制、配平攻角与飞行稳定性、气动加热与防热,以及再入过程中不同气动特性航天器、气象条件变化等对再入飞行性能的影响规律。为航天器开展返回飞行过程的跨流域气动性能工程研制提供设计参考。