静止轨道卫星在轨延寿技术研究进展

随着星上设备及元器件可靠性的提高,推进剂耗尽将成为未来静止轨道卫星的主要失效
模式。静止轨道卫星在轨延寿技术可通过发射延寿飞行器与失效卫星对接,采用辅助控制或燃料加注方式,进一步延长卫星在轨工作寿命。本文首先对近年来静止轨道失效卫星进行了统计和分析,随后介绍了静止轨道卫星在轨延寿技术的基本概念和任务特点,在国外典型项目调研的基础上,对在轨延寿任务所涉及的交会轨迹规划与控制、视觉测量与导航等关键技术进行了分析。在轨延寿技术的发展必将对未来静止轨道卫星的设计及运营模式产生重要的影响。     

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。     

融合北斗短报文与CCSDS标准的卫星遥测遥控数据系统设计

随着北斗系统全面建成,北斗短报文在我国卫星测控领域的应用逐渐展开。为了充分利用北斗短报文双向通信功能、保密性好、全球覆盖等特性,参考国际空间数据系统咨询委员会（Consultative Committee for Space Data Systems,CCSDS）的可扩展标记语言的遥测遥控信息交换（XTCE）标准,提出了融合北斗短报文与CCSDS标准的卫星遥测遥控数据系统设计方法。首先,分析了CCSSDS XTCE和北斗短报文的应用现状;其次,考虑到北斗短报文的容量限制,设计优化了卫星遥测遥控数据传输格式和内容;再次,针对北斗短报文传输特性,探讨了加密通信方法;最后,为保证遥测遥控数据传输的正确性与可靠性,设计了数据连续识别和丢包补发方法。结果表明,融合北斗短报文与CCSDS标准的卫星遥测遥控数据系统,可以为提高卫星的设计与科学使用提供参考。     

A guidance law for UAV autonomous aerial refueling based on the iterative computation method

The rendezvous and formation problem is a significant part for the unmanned aerial vehicle（UAV） autonomous aerial refueling（AAR） technique. It can be divided into two major phases： the long-range guidance phase and the formation phase. In this paper, an iterative computation guidance law（ICGL） is proposed to compute a series of state variables to get the solution of a control variable for a UAV conducting rendezvous with a tanker in AAR. The proposed method can make the control variable converge to zero when the tanker and the UAV receiver come to a formation flight eventually. For the long-range guidance phase, the ICGL divides it into two sub-phases： the correction sub-phase and the guidance sub-phase. The two sub-phases share the same iterative process. As for the formation phase, a velocity coordinate system is created by which control accelerations are designed to make the speed of the UAV consistent with that of the tanker.The simulation results demonstrate that the proposed ICGL is effective and robust against wind disturbance.     

飞机压力加油仿真计算研究

对飞机地面压力加油系统进行了仿真计算研究,详细阐述了建模理论基础和方法,并以某型飞机为例进行了建模仿真,对全机加满油时间和管路的最大流速进行了计算。通过地面压力加油试验进行验证,压力加满油时间基本一致,本文的仿真计算为改进压力加油系统设计提供了参考。     

非线性动态逆空中加油自主对接控制

为实现无人机空中加油自主对接控制,建立了尾流影响下的UAV六自由度模型。基于非线性动态逆,设计了空中加油自主对接控制律。在常规非线性动态逆控制律设计的基础上,改进了航迹、姿态、角速率和自动油门等回路。通过设计航迹跟踪控制律和动态逆自动油门,实现了对锥套位置的跟踪和对接;考虑协调转弯约束和爬升速率约束,在设计过程中以姿态角代替气流角,克服了气流角控制带来的幅值、速率过大的问题,使受油机的控制更加稳定。最后通过仿真,验证了动态逆自主对接控制律的有效性。     

空中加油变质量建模与干扰补偿控制

为抑制空中加油给飞机带来的变质量影响,将质量的变化等效为对飞机的干扰力和干扰力矩,建立了变质量飞机的一般动力学模型,并经过小扰动线性化得到飞机带干扰的纵向状态方程.采用比例积分观测器(PIO)对干扰进行观测,基于观测值设计了补偿控制器以实现对变质量干扰的抑制.以受油机为例进行计算机仿真,结果表明,该模型有效地反映了变质量受油机的动力学特性,干扰补偿控制器能够实现对变质量受油机的精确控制.     

软式加油过程中软管鞭打现象数值模拟研究

对空中加油过程中软管锥套系统产生的鞭打现象进行了数值模拟.流场计算中的空间离散采用Osher格式,紊流模型采用S-A一方程模型;运用“刚杆-球铰”模型离散方法对软管锥套系统建模,建立了软管多体系统模型并推导其运动控制方程;采用一类基于相邻单元搜索算法,通过搜寻软管节点所在加油机尾流场网格的宿主单元,建立软管微段气动力与流场的联系.运用方法对软管锥套系统的动态特性进行了仿真,结果与国内外飞行试验结果相吻合.     

基于N-S方程的加油机对受油机气动干扰研究

空中加受油时,加油机尾流场会对受油机产生复杂的流动干扰。采用基于Navier-Stokes(N-S)方程的CFD方法分析加油机尾流场,并对加油机、受油机之间的气动干扰进行一体化模拟研究;系统地分析加油机不同迎角及双机不同高度差、不同侧向距离、不同前后位置时,受油机的纵向、横航向气动力特性。结果表明：典型状态下,加油机迎角增大,对受油机的气动干扰增强;高度差越大,对受油机气动干扰越小;侧向距离越大,对受油机气动干扰先增加后减小;前后距离对受油机的影响较小。     

SpaceMocap：在轨人体运动捕捉系统

SpaceMocap是一套基于多RGB-D相机的计算机视觉航天员运动捕捉系统。地面准备阶段，扫描航天员模型，并分别标定彩色相机的内参数。在轨采集阶段，3~4台相机布置在舱内角落，同步采集航天员任务视频。地面处理阶段，通过相机外参数标定和ICP方法实现点云融合，采用深度神经网络对人体关节点位置进行检测并初始化位姿参数，再用改进的ICP方法进行位姿求精，实现序列图像中关节角度跟踪。本系统搭载TG-2升空，对SZ-11航天员的任务视频进行了采集和处理，首次获取了在轨航天员的姿态(包括中性体位)、占位空间、运动参数等重要数据。结果表明，运动捕捉的模型与点云具有良好的重合度，关节点位置与关节角度具有较高的跟踪精度。SpaceMocap是我国首个在轨运动捕捉系统，它小型、轻质，具有计算机视觉特有的非接触测量、直观、高精度优势，无需在人体上粘贴任何标志，具有良好的抗遮挡能力，完全适用于微重力、狭小空间环境下的在轨应用 。