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“三高”全面发展进行时|自动化为基、数字化为器、智能化为旗,以高水平科技自立自强支撑“三高”全面发展

时间:2022年08月26日 信息来源:中国航天报 点击:774 字体:

编者按:凝聚三高全面发展的思想共识,汇聚三高全面发展的强大合力。今天的《三高全面发展进行时》专栏为大家介绍五院502所沿着自动化、数字化、智能化的轨迹砥砺奋进的征程。

 

“高质量保证成功、高效率完成任务、高效益推动航天强国和国防建设”是中国航天科技集团有限公司完整、准确、全面贯彻习近平总书记新发展理念的重要举措。集团公司党组书记、董事长吴燕生指出,“三高”全面发展必须走科技自立自强之路,自主创新是中国航天事业发展壮大的成功密码,自立自强是中国航天事业跨越腾飞的必然路径。回望来时路,在党中央坚强领导下,以《1956—1967年科学技术发展远景规划纲要》提出的“四项紧急措施”为源起,五院502所沿着自动化、数字化、智能化的轨迹砥砺奋进。踏上新征程,502所秉承技术立所、管理强所理念,勇担空间控制技术引领者使命,加快推进自动化、数字化、智能化技术发展,为实现“三高”发展目标提供了有力支撑。

 

自立自强打造自动化航天控制中国方案

筑牢“三高”发展的坚实基础

 

在毛主席“我们也要搞人造卫星”的伟大号召下,从参与东方红一号卫星研制起步,502所始终坚持以国家型号任务需求为己任,立足自主可控,打破国外封锁,先后突破了一系列航天自动控制关键核心技术,形成了先进的姿轨控方案设计、技术研发、生产制造能力,以高品质系统和高可靠产品推动我国航天事业从跟跑向并跑、领跑转变。

 

坚守初心,耕耘航天控制“南泥湾”。从东方红一号卫星自旋稳定控制,到东方红二号卫星双自旋稳定控制、东方红三号地球静止轨道三轴稳定控制、东方红四号卫星成功迈入国际市场,再到东方红五号超大型卫星平台能力和技术指标全面处于国际先进,502所逐步探索出一条具有中国特色的卫星研制道路,以制导、导航、控制技术为核心,推进、机电、光电、电子和软件等专业为支撑,建立了完整的空间控制系统专业技术体系,研制的姿轨控计算机、二浮陀螺、星敏感器、双组元推进系统等在轨成功应用,使我国卫星控制技术不断迈上新台阶。与此同时,通过核心技术攻关,实现了从控制系统方案设计到敏感器、执行机构等核心单机产品及配套测试设备的全面国产化,确保技术见底、品质可控。今年年初发布的SpaceOS—天卓操作系统以精、快、信、活、智的特点,适应了航天器网络化、智能化、可扩展、高可信的迫切需求,广泛应用于载人航天、通信卫星、北斗导航、深空探测等航天重大工程任务,通过技术创新有力支撑了“三高”发展。

 

精益求精,树立中国航天“里程碑”。载人航天、月球探测、火星探测等国家重大工程意义重大,必须确保万无一失。面对国外技术全面封锁的不利环境,几代502所干部职工不负党和国家重托,走出了一条独立自主的技术发展路线,让高水平自动控制技术成为中国航天的制胜法宝和定海神针。以载人航天为例,502所几代人接续完善基于特征模型的相平面自适应控制方法,发展的自主快速交会对接技术更是以耗时短、对接精度高、自动化程度高的显著特点,大幅提升人员和货物运输效率;以自主自适应预测制导为特点的再入返回技术,使开伞点精度屡创新高,大幅提升了航天器和航天员返回的安全性。在探月工程中,攻克了地外天体软着陆和巡视探测、月面上升起飞和月球轨道交会对接等关键技术,完美实现了“绕、落、回”三步走规划。在探火任务中,凭借预测校正制导,惯导与图像、测距测速融合的自主导航与控制,实现了我国航天器从地月系到行星际的跨越。

 

牢记使命,矢志不移追逐“航天梦”。航天强国建设,既要有“量”的支撑,更要有“质”的保证。面对航天器大规模研制、运行以及应用模式、任务复杂度急剧提升的态势,传统以地面测控为主的航天器运行管理模式已难以适应发展需求,航天器完全利用自身的软硬件设备自主完成飞行任务要求的各项功能和操作、实现全自主控制成为了发展趋势。502所突破了不依赖人造信标的自主导航关键技术,在深空探测、重大专项工程、各类卫星中得到成功应用。在自主导航的基础上,设计了卫星转移轨道段自主变轨、工作轨道段自主轨道维持等先进应用策略,极大减轻地面测控压力,一键式入轨在未来指日可待。针对航天器长期在轨稳定可靠运行的迫切需求,突破了航天器控制系统可诊断与可重构性设计、天地一体化故障诊断与重构等关键技术,保证系统实现“一重故障保业务、两重故障保安全”,增强了系统的抗干扰能力,显著提升了天基系统的可靠性。

 

坚定不移推动数字化宇航能力稳步提升

锻造助推”三高“发展的善事利器

  

以现代化、信息化、智能化为特征的复杂航天器呈现出任务量大、研制周期短、创新性强、关键技术攻关密集等特征,传统的基于零散工具的方案设计方式和基于手工编码的研制和验证模式无法适应任务需要。同时,大规模在轨运维工作和未来操控领域应急处置等需求,对地面数字系统的在轨故障复现、应急方案生成的快速性和可信度提出了更高要求。按照集团公司关于全面建设“数字航天”的战略部署,502所坚持把数字化作为提升基础能力的重要方向,持续打造“AOCS设计仿真数字化平台”,以“知识模型化、模型工具化、工具平台化、平台智能化”为手段,不断提升GNC系统的专业研发能力和新技术集成展示能力。

 

知识经验模型化,以平台传承技术。传统的设计经验存储于“人脑”,一方面缺少知识经验转移重用的机制与手段,另一方面呈现知识经验碎片化,缺乏对研制过程数据进行捕捉、管理和处理的能力,不同设计师之间依赖“传、帮、带”传统,缺乏信息共享,易形成“信息孤岛”。502所充分利用数字化、信息化手段,将“人脑”存储的知识碎片熔炼成“AOCS设计仿真数字化平台”。首先,将庞大的现有知识分类定标、去芜存菁,形成知识模型库,将基础夯实;其次,以模型为基础形成各类设计仿真工具软件,实现各类知识模型固化落地,将理论做实;最后,将工具分类集成到平台中。目前已形成包含近地、交会、深空探测三大领域的设计经验知识库,以平台承载能力将体系做优,全面解决了控制系统设计工作中的知识散、效率低、成本高等问题。

 

三高0.jpg


仿真测试无人化,以工具提速增效。基于502所自研的专业数字化工具,将航天器GNC全流程工作进行体系整合,形成强大的系统构建和仿真测试能力,满足各类型号研制需求,最大限度实现成熟环节复用。在型号研制中,基于柔性多体系统动力学、敏感器模型等一系列高保真数字化模型集,通过“拖拽模型—自动连线—加载配置”的简单步骤,能够快速形成项目工程。以北京三号卫星数字化仿真测试为例,800多种工况利用平台工具实现了高性能集群打靶仿真,仿真时间由5小时缩短至50秒,显著提升了仿真测试的“高效率”。在当前型号任务数量急剧增加的形势下,该数字化平台让设计师能够将精力更多地聚焦到任务核心难点,既能有效支撑航天MBSE快速开发模式,又能以无人值守仿真测试解放人才资源,助力企业研发“高效益”。

 

任务场景立体化,以虚拟赢得现实。伴随着空间能力的快速拓展,未来的航天器任务涉及高动态目标测量与智能感知识别、自主任务规划与决策、空间操控与在轨服务等新兴方向,关键技术攻关与地面验证高度融合,数字化仿真演示验证手段和能力亟须从平面曲线向多维场景拓展。同时,面向未来智能航天新需求,充分考虑对人工智能算法的扩展性,初步提出AOCS设计仿真数字化平台的升级建设构想,支持开展智能控制场景训练在航天GNC系统的应用研究,彰显航天器控制领域创新引领作用。

 

持续不断谋求智能化前沿领域创新突破

引领“三高”发展再启新征程

 

习近平总书记指出,人工智能是引领新一轮科技革命和产业变革的重要驱动力。面对未来空间任务对飞行器控制技术的巨大挑战,502所全面对标世界航天科技前沿,秉承“锐意创新、引领前沿、敢为人先、建功航天”的理念,开展原创性、颠覆性、牵引性的创新研究,牢牢掌握引领和支持长远发展的关键核心技术,为国家重大专项等型号任务提供更高品质的控制系统和更加显著的综合效益。

 

航天器智能高品质控制实现新跨越。随着我国向航天强国迈进,新质航天器对精、稳、敏捷等指标提出了跨代升级的要求。传统卫星单级控制回路难以实现多目标最优,航天器高品质控制是发挥新质航天装备更高综合效能的核心关键,是掌握新一轮全球航天科技竞争战略主动权的重要基础,同时也带来了航天器控制领域、控制学科中一系列亟待解决的关键技术难题。502所创造性地发明了聚合分离“三超”控制系统架构,提出了“集中消除、多级协同”的新理念,在星体和载荷之间设计了“二级控制”,为航天器控制方法带来新的变革。基于主动指向超静平台的多级协同控制方法,在定姿、控制、稳定性分析方面进行了完备的研究,主要性能指标提高了1~2个数量级。发明和研制的主被一体挠性作动器技术新、性能优越、自主可控,是新型先进装置的突破。采用该技术的北京三号敏捷遥感卫星,创造了沿任意航迹推扫成像、一次过境成像最大幅宽等多项新纪录,极大提高了观测效率。

 

空间智能自主控制技术呈现新气象。考虑到智能自主控制技术针对复杂且不确定环境具有较强的应对能力,20世纪80年代,杨嘉墀院士就指出了大力发展空间智能自主控制技术的必要性,为502所控制技术的发展指明了方向。经过多年发展,以吴宏鑫院士为代表的502所干部职工提出了特征建模理论、智能自适应控制方法、实时故障诊断专家系统SCRDES等我国原创性先进理论方法,实现了神舟系列飞船返回开伞点精度、嫦娥五号试验器月地跳跃式返回再入开伞点精度达到国际领先水平;实现了载人航天工程所有对接均一次成功,“万里穿针”横向位置偏差均达到厘米级;实现了国际上首次月球自主避障软着陆,实现了玉兔二号月面地形重建、月面立体视觉导航和巡视控制等。

 

人工智能时代空间控制迎来新机遇。以深度学习为代表的新一代人工智能技术的爆发式进步,及其在无人驾驶、围棋博弈、图像处理等领域的成功应用,对航天人工智能的发展起到了极大推动作用。2017年国务院印发了《新一代人工智能发展规划》,智能技术被视为实现装备跨代式发展的关键使能技术。502所紧跟技术前沿,在杨孟飞院士带领下,围绕地外探测面临的瓶颈问题和对智能自主的迫切需求,经过艰苦技术攻关,提出了适用于地外探测任务场景的原创性智能方法与技术,并取得了初步成果,比如具有推理和学习能力的空间无人系统智能架构,未知环境下狭小容器内自然样品采集装箱等。展望未来,通过发展航天人工智能技术,推动航天装备设计理念和应用模式变革,真正意义上实现理解任务、洞察环境、最优决策、灵巧操控,实现航天装备的跨代发展。

 

实干创造辉煌,奋斗成就伟业。踏上全面建设航天强国新征程,502所将树牢“惟有成功才能专注发展,惟有奋斗才能实现发展,惟有创新才能持续发展”理念,全面系统准确把握“高质量、高效率、高效益”发展要求,矢志追求工作一流、过程一流、结果一流,持续激发改革发展新活力,努力驾驭好时代之变、科技之变,全力完成好以空间站建造为代表的各项任务,以实际行动迎接党的二十大胜利召开。



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