一种在轨服务型航天器软件系统的制作方法

1.本发明属于航天飞行器软件系统技术领域，具体涉及一种在轨服务型航天器软件系统。


背景技术：

2.随着商业航天的快速发展，以在轨服务为目标的航天器受到越来越多的关注，例如太空碎片清除、在轨建造、在轨维修、目标捕获等。随着技术的发展，服务功能的需求增多，需要执行的操作越来越复杂。传统卫星的软件管理依据分系统区分，包括：遥测遥控、热控、能源、轨道、姿态、采集和载荷等，这样的管理方式侧重卫星平台本身，而载荷的管理能力不强，无法适应目前在轨服务的目标。
3.对卫星系统的故障监测和健康管理多基于数据的采集、状态监测和健康评估来实现，关注平台的数据和各个构件的数据流，很少考虑器件冗余和功能的融合，将平台与载荷完全孤立，无法自动获取系统的最优运行方式。
4.目前商业航天开始采用低成本工业级器件，通过冗余方案提高了电子系统硬件的可靠性，但是需要结合软件管理提高自动故障和诊断的处理能力。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本发明提供一种在轨服务型航天器软件系统，以服务航天各类载荷为目标，将软件系统分为三个模块：在轨操作模块、数据和任务管理模块、服务管理模块，基于工业器件的冗余和多种总线的数据融合，设计软件融合和故障诊断，形成软件系统。
6.本发明是这样实现的，提供一种在轨服务型航天器软件系统，包括在轨操作模块、数据和任务管理模块和服务管理模块，其中：
7.在轨操作模块包括姿态控制子模块、轨道控制子模块和目标接近与在轨操作子模块，姿态控制子模块用于完成高精度姿态对准，轨道控制子模块用于完成变轨和轨道机动，目标接近与在轨操作子模块用于调用姿态控制子模块和轨道控制子模块，实施高速自主姿轨联合控制；
8.数据和任务管理模块包括环境维护子模块、供电管理子模块、数据管理子模块、通信管理子模块、融合与故障处理子模块、重构与升级子模块，且数据和任务管理模块的每个子模块均设有故障监测功能，环境维护子模块用于监测控制航天器的运行参数，供电管理子模块用于监测控制航天器供电情况，数据管理子模块用于数据、程序的存储、更新，实现数据的冗余备份，通信管理子模块用于进行各个单机不同通信方式下的数据交互、校验及控制指令发出，融合与故障处理子模块用于对数据和任务管理模块各个子模块的故障监测数据进行融合分析，重构与升级子模块用于对计算系统进行重构与升级；计算系统即在轨操作模块、数据和任务管理模块、服务管理模块的计算系统；
9.服务管理模块包括大数据量管理子模块、飞行器实验管理子模块和敏感环境控制
子模块，其中大数据管理子模块用于对载荷在轨测试数据集中存储、组包、传输，飞行器实验管理子模块用于对在轨实验过程动作驱动、任务规划，敏感环境控制子模块用于对环境实施监测和控制，保障载荷工作环境要求。
10.优选的，所述在轨操作模块、所述数据和任务管理模块和所述服务管理模块与外部单机和硬件单元通过总线通信。
11.进一步优选，所述总线通信方式为can或spi或i2c。
12.与现有技术相比，本发明的优点在于：
13.本发明提供了一种在轨服务型航天器的软件系统，该系统以服务对象为中心，将航天器软件系统设计为不同层级，包括：在轨操作模块、数据和任务管理模块、服务管理模块三个部分。将平台各个功能子模块和单机统一管理，结合三模冗余的计算机电子系统，实现多层级的冗余和故障诊断，保障了航天系统的高可靠性。
附图说明
14.图1为本发明提供的在轨服务型航天器的软件系统组成示意图；
15.图2为本发明提供的在轨服务型航天器的软件系统在一个实施例中的应用图；
16.图3为本发明提供的在轨服务型航天器的多层故障诊断软件系统。
具体实施方式
17.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
18.参考图1，在本发明的一个实施例中提出一种在轨服务型航天器软件系统，适用于低成本商业航天和多服务对象的任务要求。
19.如图2所示，在本发明的一个实施例中，在轨操作模块、数据和任务管理模块和服务管理模块连接不同的单机和硬件单元，并使用can、spi、i2c等总线互相通信，使用冗余的工业级器件。具体的：
20.轨道控制不同推力的推进实现不同的变轨或辅助姿态调整，采集传感和开关状态信息，将压力传感、温度传感、阀门开关等设计为冗余分布阵列，并对该单元的单机的冗余信息在融合故障诊断中处理，保证关键部件的使用。
21.姿态控制对姿态高精度器件和低精度的阵列器件进行数据融合，结合导航定位信息获取高精度定姿，高成本姿控器件和低成本器件执行融合，在不同的飞行阶段，结合供电管理信息完成最优姿控方案。
22.供电管理对大功率器件管理，结合任务需求，能源优化；结合服务管理和任务需求控制一次和二次电源的开关；在分离入轨阶段实施自动上电、帆板展开控制。
23.通信管理结合了关键通信器件包括测控数传一体机、导航通信的冗余备份，控制对地遥测控制通信、定位定轨、相对目标的相对导航。通信数据和各个模块的数据和状态通过总线通信集中数据管理，并在三模冗余的计算阵列中备份存储和计算。在任务故障或修改情况下，支持地面对航天器的软件重构，通信上传的软件代码存储在三个计算阵列中，分别进行重构数据的读取、重启等动作，完成数据重构。
24.根据不同的服务对象需求主要分为三个模块，分别实现大数据存储转发、试验过程控制和敏感环境控制，驱动和采集模块冗余备份，既可以适应更多的服务对象，并具有更高的可靠性。
25.如图2所示，航天器的各个管理模块下包括的硬件系统都各自包括了单机阵列、供电配置和驱动模块的冗余，如图3所示，每个子模块软件都有对应数据报警，且预警信号在融合和故障处理单元集中处理；首先对冗余数据仲裁，并对故障部分重启，判断为无法修复状态，隔离故障部分并实施备份方案，同构备份替换或者异构类型替换，例如一个反作用飞轮故障，重启后无法修复，执行能源控制关闭飞轮，替换为小推力推进器或磁棒姿控方案。


技术特征：
1.一种在轨服务型航天器软件系统，其特征在于，包括在轨操作模块、数据和任务管理模块和服务管理模块，其中：在轨操作模块包括姿态控制子模块、轨道控制子模块和目标接近与在轨操作子模块，姿态控制子模块用于完成高精度姿态对准，轨道控制子模块用于完成变轨和轨道机动，目标接近与在轨操作子模块用于调用姿态控制子模块和轨道控制子模块，实施高速自主姿轨联合控制；数据和任务管理模块包括环境维护子模块、供电管理子模块、数据管理子模块、通信管理子模块、融合与故障处理子模块、重构与升级子模块，且数据和任务管理模块的每个子模块均设有故障监测功能，环境维护子模块用于监测控制航天器的运行参数，供电管理子模块用于监测控制航天器供电情况，数据管理子模块用于数据、程序的存储、更新，实现数据的冗余备份，通信管理子模块用于进行各个单机不同通信方式下的数据交互、校验及控制指令发出，融合与故障处理子模块用于对数据和任务管理模块各个子模块的故障监测数据进行融合分析，重构与升级子模块用于对计算系统进行重构与升级；服务管理模块包括大数据量管理子模块、飞行器实验管理子模块和敏感环境控制子模块，其中大数据管理子模块用于对载荷在轨测试数据集中存储、组包、传输，飞行器实验管理子模块用于对在轨实验过程动作驱动、任务规划，敏感环境控制子模块用于对环境实施监测和控制，保障载荷工作环境要求。2.根据权利要求1所述的在轨服务型航天器软件系统，其特征在于，所述在轨操作模块、所述数据和任务管理模块和所述服务管理模块与外部单机和硬件单元通过总线通信。3.根据权利要求1所述的在轨服务型航天器软件系统，其特征在于，所述总线通信方式为can或spi或i2c。

技术总结
本发明属于航天飞行器软件系统技术领域，具体涉及一种在轨服务型航天器软件系统，包括在轨操作模块、数据和任务管理模块和服务管理模块，在轨操作模块包括姿态控制子模块、轨道控制子模块和目标接近与在轨操作子模块，数据和任务管理模块包括环境维护子模块、供电管理子模块、数据管理子模块、通信管理子模块、融合与故障处理子模块、重构与升级子模块，服务管理模块包括大数据量管理子模块、飞行器实验管理子模块和敏感环境控制子模块。各个功能子模块和单机统一管理，结合三模冗余的计算机电子系统，本发明实现多层级的冗余和故障诊断，保障了航天系统的高可靠性。障了航天系统的高可靠性。障了航天系统的高可靠性。


技术研发人员：陈雯雯 张龙 刘洁 张耀军 李昭 康宝鹏 金凤 容建刚
受保护的技术使用者：北京国宇星辰科技有限公司 国宇星辰（山东）航天科技有限公司
技术研发日：2023.06.15
技术公布日：2023/9/22