一种基于一致性理论的航天器编队飞行协同控制方法

为提高航天器编队飞行控制的协同性,研究了基于一致性理论的航天器编 队飞行协同控制方法。首先,讨论了航天器编队飞行中的一致性问题;其次,建立了航天器 编队飞行六自由度动力学模型;然后,应用一致性理论设计了非线性控制律,通过仿真验证 了控制方法有效,并且可以适用于动态的航天器编队飞行通信拓扑结构。
     

基于多智能体系统的多航天器编队分布式姿态协同控制

多航天器编队飞行在深空探测及协同对地观测等领域有着重要应用,而多航天器的姿态跟踪及协同控制技术作为其关键技术之一也引起了极大的关注。近年来,随着分布式人工智能技术的发展,多智能体系统(MASs)受到了航天器控制领域学者的关注并将其应用到多航天器编队控制中。本文回顾了多智能体系统协同控制及其在多航天器编队姿态协同控制中应用的研究进展。首先,从多航天器编队不同控制需求出发,分别从一致性跟踪控制、有限时间控制、事件驱动控制方面,回顾了多智能体系统协同控制问题的进展;其次,回顾了多航天器姿态协同控制在上述需求方面的研究进展,并基于多智能体系统的协同控制理论,提出了相应的分布式姿态协同控制策略。     

主从式编队航天器连通性保持与碰撞规避

针对主从式航天器编队过程中存在的通信距离约束、航天器之间的碰撞以及空间干扰等问题，提出一种基于非线性干扰观测器和人工势函数的分布性协同控制方法。当初始通信网络连通时，通过在分布式协同控制器中引入吸引势函数，保证整个编队过程中通信网络始终是连通的。针对主航天器速度仅有部分从航天器直接可知的情况，为每一个从航天器设计分布式的速度观测器估计主航天器的速度，从而实现航天器之间的速度协同。此外，通过在控制器中引入非线性干扰观测器对外界干扰进行观测，显著增强了航天器编队的精度。仿真结果表明，本文提出的分布式协同控制方法不但能够实现对主航天器的速度跟踪以及航天器之间的队形保持，而且能够在编队过程中实现通信网络的连通性保持和航天器之间的碰撞规避。     

卫星编队飞行相对位置自适应协同控制

针对卫星编队飞行相对位置协同控制问题,基于编队卫星相对运动非线性动力学方程和一致性理论设计了两种自适应协同控制器。首先,在卫星质量不确定和星间信息交互存在通信时延的条件下,设计了一种全状态反馈自适应协同控制器,并证明了该控制策略对空间摄动力的鲁棒性。其次,进一步考虑速度信息不可测的条件下,采用滤波器设计了一种无速度反馈的自适应协同控制器。最后,以编队构型重构为例对两种自适应协同控制器进行了仿真校验。仿真结果表明：两种自适应协同控制器均可有效应用于卫星编队飞行相对位置的协同控制,能够保证编队卫星对各自期望轨迹跟踪的同时暂态保持编队构型的稳定,具有较高的控制精度。     

航天器近程编队自主协同相对导航方法

针对GNSS(全球导航卫星系统)拒止环境下近圆轨道多航天器近距离编队自主协同相对导航问题,提出了利用测角相机偏离航天器质心安装时的杆臂效应和多航天器之间几何一致性约束来实现相对导航的方法。首先,在第二轨道坐标下分别建立了基于Hill Clohessy Wiltshire方程的多航天器编队相对轨道演化模型、测角相机偏离质心安装情况下的相对视线角测量模型;然后,引入多航天器之间几何约束建立了相对轨道状态的一致性约束模型,并基于该约束模型设计了一致性扩展卡尔曼滤波估计算法;接着,对所建立的相对导航模型进行了相对轨道状态的可观测性分析,得到了使相对轨道可观测的相机偏置安装条件;最后,通过数值仿真实验对所提算法进行了校验,并与一致性无约束条件下的估计算法进行了对比分析。仿真结果表明,本文所提算法的相对位置误差能够快速收敛,在5 m传感器偏置和10 -3 rad量级测角误差条件下,多航天器相对定位误差在10 m以内。     

基于极坐标方程的悬停编队和交会控制研究

研究共面轨道航天器悬停编队和交会控制问题.基于轨道面板坐标运动方程,建立航天器期望状态和实际状态运动方程,将实际状态追踪期望状态问题化为参考模型跟踪误差控制问题求解.针对参考模型跟踪误差方程的时变耦合性.采用Lyapunov定理及LaSalle不变性原理设计不同偏心率悬停编队和椭圆参考轨道交会最优控制律,并分析系统稳定性.仿真结果验证了该算法的正确性和有效性.     

航天器集群构形控制的虚拟弹簧阻尼网络方法

针对航天器集群质心相对运动构形控制问题,提出了一种基于虚拟弹簧阻尼网络的分布式控制方法。航天器间以虚拟的弹簧阻尼器相互连接,弹簧的原长根据期望的相对运动构形来设定。各航天器的控制输入是与其相连的所有弹簧阻尼器的合力。在线性动力学模型和拓扑结构连通且固定的假设下,基于代数图论的方法推导出了闭环系统稳定性条件。对近地轨道上100个航天器形成格点相对运动构形和20个航天器形成时变距离的椭圆构形的实例进行了仿真,考虑了轨道摄动的影响,结果表明,集群通过虚拟弹簧阻尼网络控制可实现期望构形,并能达到厘米量级的构形保持控制精度。该控制方法不改变集群的质心,只需施加很小的控制加速度;仅基于局部的邻居交互,能够适应大规模集群对分布式控制的要求。     

基于自适应控制方法的自主编队构型保持

对受未知干扰的低轨卫星编队构型保持进行了研究.由完整的非线性星间相对运动动力学方程给出用于控制器设计和稳定性分析的跟踪期望编队构型的误差方程,基于Lyapunov稳定性分析推导了干扰估计律,综合干扰估计律、反馈线性化和最优线性二次型控制器设计了自适应控制器,并证明了该自适应控制方法可保证对期望构型跟踪误差的全局渐近收敛.仿真结果表明:该自适应控制器可实现精确的构型保持,同时完成对未知干扰的估计.     

对地观测卫星编队协同容错姿轨耦合控制

面向对地观测场景下卫星编队的姿轨耦合特性和完全失效故障,提出了基于空间构型重构的协同容错控制方法。首先,根据对地观测的任务需求,分别建立了无故障情况下的卫星编队构型,以及故障发生后将故障卫星移出编队的构型重构方案,包括拓扑网络重构、卫星编号更新和编队构型重构算法;其次,根据上述构型,考虑外部干扰和姿态轨道耦合特性,设计了基于非奇异终端滑模控制的分布式控制律,使得编队在有限时间内稳定,即在故障发生前后卫星编队都可以实现对观测区域的协同覆盖;最后,分别通过数值仿真和实验验证表明了所提方法的有效性。     

航天器编队的六自由度循环追踪协同控制

针对航天器编队的姿轨协同控制问题,提出一种使用循环追踪策略的六自由度(6-DOF)协同控制方法。首先,结合Lagrangian形式的姿态动力学和轨道动力学方程,建立航天器编队的六自由度相对运动模型;然后,以线性双积分系统的循环追踪算法为基础,分别设计可跟踪动态目标的循环追踪算法和航天器匹配自然周期相对运动的循环追踪算法。综合上述两种算法,设计航天器编队六自由度协同控制的循环追踪算法。该算法可实现航天器编队空间圆构型初始化,跟踪动态的期望姿态和相对运动。仿真结果证明了所提出的航天器编队六自由度协同控制的循环追踪算法的有效性。     

Maneuver planning of a rigid spacecraft with two skew control moment gyros

The attitude maneuver planning of a rigid spacecraft using two skew single-gimbal control moment gyros (CMGs) is investigated. First, two types of restrictions are enforced on the gimbal motions of two skew CMGs, with each restriction yielding continuous control torque along a principal axis of the spacecraft. Then, it is proved that any axis fixed to the spacecraft can be pointed along an arbitrary inertial direction by at most two sequent rotations around the two actuated axes. Given this fact, a two-step eigenaxis rotation strategy, executing by the two single-axis torques respectively, is designed to point a given body-fixed axis along a desired direction. Furthermore, a three-step eigenaxis rotation strategy is constructed to achieve an arbitrary rest-to-rest attitude maneuver. The rotation angles required for the single-axis pointing and arbitrary attitude maneuver schemes are all analytically solved. Numerical examples are presented to demonstrate the effectiveness of the proposed algorithms.     

测量不确定的充液航天器自适应鲁棒容错控制

针对三轴稳定充液航天器控制系统中同时存在外部未知干扰,参数不确定,测量不确定和执行器部分失效故障的鲁棒容错姿态机动控制问题进行研究。首先将部分充液贮箱内的晃动液体燃料等效为粘性球摆模型,采用动量矩守恒定律推导出航天器的刚-液耦合动力学方程。然后将变结构控制策略结合范数自适应估计算法设计了自适应鲁棒容错控制器,其中设计的范数自适应控制算法用于有效估计由测量不确定产生的集总扰动的未知上界;自适应估计算法则用于有效估计贮箱内的液体晃动位移变量。提出的控制策略不依赖精确的故障信息,并且在故障信息值不确定的情况下可以实现期望的姿态机动任务。基于Lyapunov稳定性分析方法证明了容错闭环系统状态变量的一致最终有界性。采用数值方法验证了所提控制方法的有效性和鲁棒性。     

Decentralized coordinated control for multiple spacecraft formation maneuvers

We investigate the decentralized coordinated control problem by looking into local information exchange among formation flying spacecraft regarding formation maneuvers. The nonlinear dynamics that describes the motion of formation flying spacecraft relative to a reference spacecraft is considered for the general case, in which the reference spacecraft is in an ideal elliptical orbit. With the novel use of consensus algorithms combined with behavior-based control, coordinated formation controllers are proposed for three schemes: (i) with full state feedback; (ii) without velocity measurements; (iii) and with external disturbances and parametric uncertainty. The three algorithms used in the schemes can achieve both formation maneuvering and formation keeping, as well as consider actuator saturation. Numerous simulations demonstrate the effectiveness of the proposed control schemes.     

应用变速控制力矩陀螺的航天器姿态机动最优路径规划

针对应用变速控制力矩陀螺VSCMG为姿态控制执行机构的微小卫星，提出了一种姿态机动最优路径规划方法。从冗余金字塔构型VSCMGs系统的姿态机动任务和考虑VSCMGs系统故障失效的姿态机动任务两类问题出发，综合考虑VSCMG在实际工程应用中的各种约束条件(框架角约束、框架角速度约束、转子转速约束和奇异度量约束等)以及充分发挥VSCMG的力矩输出优势，采用Gauss伪谱法规划了相应性能指标最优的姿态机动最优路径。仿真结果表明设计的应用VSCMG的航天器姿态机动最优路径规划算法能够满足提出的约束条件和最优路径规划策略，可以顺利完成航天器姿态机动任务。而且相比于传统的VSCMGs系统操纵律，设计的算法具有更高的实用性和有效性。     

Halo轨道维持的线性周期控制策略

共线型平动点附近的Halo轨道具有指数不稳定性,轨道维持是必不可少的。推导了基于Halo轨道的误差动力学方程,并证明其一阶近似即为线性周期系统。以一次维持的作用时间为离散步长,并通过定常变换,将所得误差动力学化为线性离散定常系统;则仅需通过极点配置,即可实现Halo轨道镇定。研究结果表明,利用Halo轨道周期性设计的线性周期控制策略,可以满足轨道维持任务的需要。     

失效航天器的姿态机动接管控制

为实现失效航天器寿命延长的目的,采用接管控制技术接管失效航天器姿态控制系统。针对姿态机动接管控制中,失效卫星参数不确定和推力器构型矩阵突变的问题,提出一种基于控制系统重构的失效航天器姿态机动接管控制方法。首先采用指令滤波backstepping控制来重构姿态机动接管控制律,并利用Lyapunov方法分析系统稳定性;然后对推力器构型矩阵进行重构;最后考虑燃料消耗和控制输入受限问题,通过基于约束最优二次规划的动态控制分配算法对推力器推力进行控制重分配。采用本文方法实现了对燃料耗尽航天器和部分执行机构失效航天器的姿态机动接管控制。数值仿真证明了该方法的有效性。     

速度信息缺失的平动点轨道交会预设性能控制

以平动点轨道的交会对接为研究背景，基于高阶积分链微分器和预设性能控制理论提出了一种仅需相对位置信息的平动点轨道近程交会控制律。首先利用高阶积分链微分器估计两航天器的相对速度状态，并设计预设性能控制器使得两航天器的相对运动状态在预设的边界内渐近收敛到期望状态。然后利用李雅普诺夫函数证明相对运动状态存在扰动时控制器的稳定性。该方法为闭环控制，且与模型无关，容易在线操作。仿真结果表明，在平动点轨道航天器存在未知扰动以及导航制导等不确定的情况下，利用所提交会控制律能够实现追踪航天器与目标航天器交会任务的高精度实时控制，具有较强鲁棒性。     

多群组飞行器攻击时间控制协同制导方法

考虑多主-多从式群组飞行器的协同制导问题,提出了可使得多个飞行器群组在指定时间同时命中目标的协同制导方法。首先,基于剩余命中时间一致性给出多主飞行器的攻击时间控制协同制导律,使得主飞行器能够在指定时间同时命中目标;在此基础上,为每个主飞行器所在群组的从飞行器给出基于距离一致性的协同制导律,使得从飞行器-目标距离同步于主飞行器-目标距离,从而实现所有飞行器对目标的指定时间同时命中。理论分析表明,主飞行器和从飞行器的协同制导律都具备固定时间收敛特性。仿真结果验证了所提出方法的正确性和有效性。