微小卫星智能化星务系统关键技术研究

论文摘要

无论是微小卫星的单星运行还是编队飞行或者组成星座系统,都对星务系统的智能性和自主性提出了越来越高的要求。本文以南航正在研制的“天巡一号”微小卫星为研究对象,对其星务系统设计中任务调度分配、温度测量冗余设计、遥感图像压缩编码、故障诊断等关键技术进行了研究。首先,运用“合一-阈值”启发式调度方法对星务系统任务进行了分配,针对“合一-阈值”启发式调度算法处理任务数量有限、难以获得任务分配最优解的缺点,研究了基于遗传算法的任务调度分配方法,得到了任务分配的最优解。为了实现星务系统任务的动态调度,并且在调度中充分考虑任务的偏序关系、不同任务执行条件,本文提出了一种基于模糊神经网络的智能化动态任务调度方法。该方法根据任务的偏序关系对任务进行分类,根据当前的光照等条件自动决策当前的任务需求,实现了任务的动态调度。根据微小卫星温度遥测点多,仅用硬件进行冗余备份设计会给微小卫星带来重量、功耗和体积的增加等问题,本文提出一种基于数据融合的冗余设计方法。根据传感器的分布位置,将传感器划分为多个组,同组传感器通过数据融合的方法相互提供参考,给出每个传感器测量值的可信度。在可信度较低时,对其测量值不予使用,这种冗余设计方法提高了温度测量的可靠性。卫星在正常运行中,为了减少下传通信数据量,简化遥测监控任务,需要通过多个传感器给出温度区域的估计值。本文应用基于算术平均和分批估计的方法和基于Bayes参数估计的方法对区域温度进行估计,得到了比算术平均更高的估计精度。特别是在存在故障传感器的情况下,仍然能够得到较高的估计精度。“天巡一号”微小卫星在基本任务和探索性任务两个任务阶段中可分别得到普通遥感图像和侦察遥感图像。对于普通遥感图像,本文研究了预测编码+YEZW图像压缩方法,将图像经过小波变换后的小波系数的高频部分和低频部分分开来进行处理,低频系数部分由于包含了大部分的图像信息能量,因此采用几乎无损的预测编码方式,高频数据采用YEZW编码方式,在相当的压缩比条件下,提高了压缩图像的峰值信噪比。对于侦察遥感图像从最大限度地保护侦察对象为出发点,提出了一种基于侦察图像的压缩编码方法,将疑似目标图像和背景图像分离后,分别进行压缩编码,使得在不同的压缩比条件下,侦查目标图像信息都能够做到无损。针对目前卫星的故障诊断都是针对各个子系统进行的特点,设计了一种故障综合诊断的方法,为了减小诊断中的计算量,提出将故障的诊断分成两步完成,第一步实现故障的子系统级定位,第二步实现故障的部件级定位,使得故障的诊断更加准确。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 小卫星概述
• 1.1.1 小卫星的发展
• 1.1.2 小卫星的特点和应用
• 1.1.3 小卫星的分类
• 1.2 小卫星星务系统概述
• 1.2.1 星务系统的发展
• 1.2.2 星务系统的特点
• 1.3 论文研究的目的和主要内容
• 1.4 论文的组织结构
• 第二章 星务系统任务分配与调度设计
• 2.1 概述
• 2.2 调度的基本问题与定义
• 2.3 “合一-阈值”启发式分配算法
• 2.4 基于遗传算法的任务分配方法
• 2.4.1 遗传算法（Genetic Algorithm，简称GA）
• 2.4.2 基于遗传算法的星务系统任务分配算法设计
• 2.5 智能化任务调度方法设计
• 2.5.1 设计思路概述及可行性分析
• 2.5.2 模糊神经网络算法
• 2.5.3 智能任务调度决策系统的构建
• 2.6 本章小结
• 第三章 温度遥测信息获取与处理
• 3.1 微小卫星遥测信号概述
• 3.2 基于数据融合的微小卫星环境温度估计
• 3.2.1 概述
• 3.2.2 基于多传感器算术平均和分批估计的温度估计方法
• 3.2.3 基于Bayes 参数估计的区域温度估计方法及实现
• 3.3 微小卫星温度测量冗余设计
• 3.3.1 概述
• 3.3.2 基于参数估计的温度测量置信度计算
• 3.3.3 自适应加权的置信度计算方法设计及其实现
• 3.3.4 基于自适应加权参数估计的冗余设计实例
• 3.4 本章小结
• 第四章 遥感图像的压缩编码
• 4.1 概述
• 4.2 遥感图像压缩编码方法概论
• 4.2.1 遥感图像压缩技术发展趋势
• 4.2.2 图像压缩理论依据
• 4.2.3 常用的图像压缩编码方法
• 4.3 遥感图像压缩编码
• 4.3.1 遥感图像压缩方案的确定
• 4.3.2 小波变换
• 4.3.3 EZW 编码
• 4.3.4 预测编码+YEZW 遥感图像压缩编码
• 4.3.5 基于目标的遥感图像的压缩编码
• 4.4 本章小结
• 第五章 微小卫星两级故障诊断系统设计
• 5.1 概述
• 5.1.1 航天器故障诊断的重要性
• 5.1.2 故障诊断技术研究综述
• 5.1.3 基于模糊神经网络的故障诊断技术综述
• 5.2 微小卫星故障诊断系统概述
• 5.3 两级故障诊断系统结构设计
• 5.3.1 第一级基于模糊模式识别的子系统级故障诊断设计
• 5.3.2 第二级基于模糊BP 神经网络的部件级故障诊断设计
• 5.4 故障诊断实例
• 5.5 本章小结
• 第六章 “天巡一号”星务系统设计
• 6.1 星务系统仿真平台
• 6.2 星务系统操作系统的设计和构建
• 6.2.1 嵌入式实时操作系统选型
• 6.2.2 基于Vxworks 的星务仿真机固件移植
• 6.3 算法的工程化设计
• 6.3.1 智能化任务调度方法的工程化设计
• 6.3.2 基于数据融合的温度测量冗余设计方法的工程化设计
• 6.3.3 遥感图像数据压缩的工程化设计
• 6.3.4 两级故障诊断系统的工程化设计
• 6.4 本章小结
• 第七章 全文总结和展望
• 7.1 全文的研究工作和成果
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文