轮控小卫星姿态大角度机动递阶饱和控制器设计

针对采用反作用飞轮的小卫星姿态大角度机动控制，在反作用轮输出力矩受限、速率饱和的约束条件下，采用递阶饱和方法，即限制卫星每次姿态机动的最大偏差，对姿态偏差进行逐次消除。在毋需获知最优机动轨迹规划的情况下，可用于卫星任意时刻的姿态捕获和机动控制。数学仿真结果表明，本文设计的控制算．去能够实现快速姿态机动任务，具有良好的鲁棒性。     

Inertia-independent generalized dynamic inversion feedback control of spacecraft attitude maneuvers

The generalized dynamic inversion control methodology is applied to the spacecraft attitude trajectory tracking problem. It is shown that the structure of the skew symmetric cross product matrix alleviates the need to include the inertia matrix in the control law. Accordingly, the proposed control law depends solely on attitude and angular velocity measurements, and it neither requires knowledge of the spacecraft's inertia parameters nor it works towards estimating these parameters. A linear time-varying attitude deviation dynamics in the multiplicative error quaternion is inverted for the control variables using the generalized inversion-based Greville formula. The resulting control law is composed of auxiliary and particular parts acting on two orthogonally complement subspaces of the three dimensional Euclidean space. The particular part drives the attitude variables to their desired trajectories. The auxiliary part is affine in a free null-control vector, and is designed by utilizing a semidefinite control Lyapunov function that exploits the geometric structure of the control law to provide closed loop stability. The generalized inversion singularity avoidance is made by augmenting the generalized inverse with an asymptotically stable fast mode that is driven by angular velocity error's norm from reference angular velocity. Asymptotic tracking is achieved for detumbling maneuvers as the stable augmented mode subdues singularity. If the steady state desired quaternion trajectories are time varying, then asymptotic tracking is lost in favor of close ultimately bounded tracking because the stable augmented mode continues to be excited during steady state phase of response. A rest-to-rest slew and a trajectory tracking maneuver examples are provided to illustrate the methodology.     

CHANG'E-2 lunar escape maneuvers to the Sun–Earth L2 libration point mission

This paper addresses lunar escape maneuvers of the first Chinese Sun–Earth L2 libration point mission by the CHANG'E-2 satellite, which is also the world's first satellite to reach the L2 point from a lunar orbit. The lunar escape maneuvers are heavily constrained by the remaining propellant and the condition of telemetry, track and command, among others. First, these constraints are analyzed and summarized to design a target L2 Lissajous orbit and an initial transfer trajectory. Second, the maneuver mathematical models are studied. The multilevel maneuver schemes which consist of phasing maneuvers and a final lunar escape maneuver are designed for actual operations. Based on the scheme analysis and comparison, the 2-maneuver scheme with a 5.3-h-period phasing orbit is ultimately selected. Finally, the mission status based on the scheme is presented and the control operation results are discussed in detail. The methodology in this paper is especially beneficial and applicable to a future multi-mission instance in the deep space exploration.     

Spacecraft attitude maneuver using two single-gimbal control moment gyros

In this paper, arbitrary rest-to-rest attitude maneuver problems for a satellite using two single-gimbal control moment gyros (2SGCMGs) are considered. Although single-gimbal control moment gyros are configured in the same manner as the traditional pyramid-array CMG, only two CMGs are assumed to be available. Attitude maneuver problems are similar to problems involving two reaction wheels (RWs) from the viewpoint of the number of actuators. In other words, the problem treated herein is a kind of underactuated problem. Although 2SGCMGs can generate torques around all axes, they cannot generate torques around each axis independently. Therefore, control methods designed for a satellite using two reaction wheels cannot be applied to three-axis attitude maneuver problems for a satellite using 2SGCMGs. In this paper, for simplicity, maneuvers around the x- and z-axes are first considered, and then a maneuver around the y-axis due to the corning effect resulting from the maneuver around the x- and z-axes is considered. Since maneuvers around each axis are established by the proposed method, arbitrary attitude maneuvers can be achieved using 2SGCMGs. In addition, the maneuvering angles around the z- and x-axes, which are required in order to maneuver around the y-axis, are analytically determined, and the total time required for maneuvering around the y-axis is then analyzed numerically.     

双体卫星对日定向姿态机动控制

研究了双体卫星(DFP)对日定向姿态机动控制问题。首先分析双体卫星工作机理，建立载荷舱与平台舱姿态模型，推导磁浮机构线圈和磁钢相对距离的数学表达式。提出基于PD控制的载荷舱对日姿态机动、平台舱姿态跟踪以及两舱避碰等控制策略。在此基础上，为提高平台舱姿态跟踪速度，设计反步控制器对平台舱飞轮的动态特性进行补偿。进一步，为提高两舱协同控制性能，对传统PD控制进行改进，提出基于变增益PD控制的载荷舱姿态机动控制律，将两舱相对姿态信息包含在载荷舱对日姿态机动控制律中，有效降低了两舱碰撞风险，提高了两舱姿态机动速度。仿真结果表明，本文控制算法能有效实现双体卫星对日定向，且能避免两舱碰撞。     

编队卫星姿态的自适应协同控制

研究了无向信息交互条件下的多卫星姿态同步和跟踪问题,分别在模型参数精确已知和存在模型参数不确定性的情形下设计分散式协同控制算法。当模型参数精确已知时,基于滑动模态变量设计的协同控制力矩,实现了编队卫星姿态的同步机动,即保证编队卫星姿态的同步,并同时跟踪期望的时变参考姿态轨迹。当在轨卫星存在模型参数不确定性和常值未知扰动力矩时,提出了一种自适应协同控制律,仍能实现多卫星姿态的同步机动。基于Lyapunov-Krasovskii的分析表明,当星间链路存在任意未知的定常通讯时延时,本文设计的控制器有效。数值仿真算例验证了本文提出的控制算法。     

欠驱动航天器飞轮控制方法

针对应用任意剪刀对构型飞轮群的欠驱动刚体航天器姿态控制问题,将飞轮群与航天器看作整体系统进行建模,从整体系统可控性角度分析采用传统模型进行控制系统设计存在的局限性。随后通过对飞轮群角动量集合描述,得出航天器姿态可机动集合。由于飞轮群构型的任意性及航天器的欠驱动特性,导致具有初始角动量的整体系统难以针对系统状态方程采用Lyapunov函数方法进行状态反馈控制器设计,同时为了保证存在外扰动力矩的航天器姿态机动精度,采用非线性预测控制方法实现系统的反馈控制。所提控制算法实现了任意飞轮群剪刀对构型、飞轮群角动量非饱和条件下,任意系统初始角动量欠驱动航天器在姿态可机动集合中的机动控制。仿真结果表明,系统具有良好的控制性能及精度。     

冗余空间机械臂抓捕自旋卫星后的消旋控制

旨在提出一种运动学冗余空间机器人抓捕自旋卫星后的消旋策略和协调控制方法。首先，给出运动学冗余空间机器人捕获目标后的动力学模型，作为协调控制器设计基础。然后，基于四阶Bézier曲线和满足特定约束的自适应微分进化(Differential Evolution, DE)算法提出抓捕后的最优消旋与路径规划策略，最优消旋策略中同时考虑对消旋时间和控制力矩进行优化。提出一种跟踪所设计参考轨迹的协调控制方法，调整基座的姿态达到期望值。所提方法有效地衰减了自旋卫星的初始角速度，同时实现对基座姿态的控制。文末给出利用7 DOF冗余空间机械臂消除目标自旋运动的仿真结果，表明所提方法的有效性。     

具有SGCMG系统的挠性卫星姿态机动控制及验证

针对挠性卫星在轨姿态快速机动的需求，开展了星体姿态机动控制方法及控制实现研究。基于建立的挠性卫星姿态跟踪控制误差方程，给出了PD控制与补偿控制相结合的姿态跟踪控制器形式；考虑系统实现的时延影响，利用经典频率分析方法选择了兼顾系统稳定性及宽带控制的控制参数；在控制具体实现中，采用一种新型的基于力矩矢量调节奇异规避操纵策略，克服常规鲁棒奇异规避操纵存在的框架“锁死”现象，在解决奇异规避的同时避免激发挠性振动。所提出方法的有效性通过了在轨验证。     

An innovative high accuracy autonomous navigation method for the Mars rovers

Autonomous navigation is an important function for a Mars rover to fulfill missions successfully. It is a critical technique to overcome the limitations of ground tracking and control traditionally used. This paper proposes an innovative method based on SINS (Strapdown Inertial Navigation System) with the aid of star sensors to accurately determine the rover?s position and attitude. This method consists of two parts: the initial alignment and navigation. The alignment consists of a coarse position and attitude initial alignment approach and fine initial alignment approach. The coarse one is used to determine approximate position and attitude for the rover. This is followed by fine alignment to tune the approximate solution to accurate one. Upon the completion of initial alignment, the system can be used to provide real-time navigation solutions for the rover. An autonomous navigation algorithm is proposed to estimate and compensate the accumulated errors of SINS in real time. High accuracy attitude information from star sensor is used to correct errors in SINS. Simulation results demonstrate that the proposed methods can achieve a high precision autonomous navigation for Mars rovers.     

接近和跟踪非合作机动目标的非线性最优控制

航天器在实施对空间非合作目标的近程操作任务中,需要接近目标并保持在目标附近的特定方位,对目标指定部位随动跟踪和观测。针对非合作机动目标的接近和视线跟踪的六自由度控制问题,根据视线坐标系下的相对轨道方程和体坐标系下的相对误差四元数姿态方程,建立了航天器间近距离相对运动的轨道和姿态联合控制模型。考虑模型的非线性、时变性和计算的快速性,采用θ-D控制方法进行接近和视线跟踪的轨道和姿态联合控制。为了减小跟踪同时存在轨道和姿态机动的非合作目标的控制误差,应用Lyapunov最小-最大定理设计了θ-D修正控制器,改善非合作目标同时进行姿态和轨道机动时的控制性能。仿真验证了模型的正确性和控制器良好的跟踪性能。     

在轨跟踪与数据中继卫星测控关键技术(上)

根据卫星轨道根数，研究了跟踪与数据中继卫星（TDRS）对用户星的精确跟踪规律，并据此分析了TDRS对卫星平台姿态和天线运动范围的要求。介绍了TDRS测控中的关键技术，如螺旋扫描算法在TDRS搜索用户星时的应用、TDRS对近地卫星的覆盖率、TDRS跟踪多用户星的资源分配准则、星蚀和日凌计算，以及轨道位置保持控制策略等。相关控制策略的正确性已在我国地球同步轨道卫星的在轨测控应用中得到了证实，可用于未来TDRS的工程测控和业务应用。     

一种新的SINS动基座误差模型及其应用研究

研究了一种新的捷联惯导系统（SINS）动基座误差模型及载体动基座对准时的最优机动方式问题。提出利用李雅普诺夫变换建立了一种易于进行分析的SINS动基座误差模型，同时论证了SINS与平台式惯导系统（GINS）模型的等价关系。应用分段定常系统可观测性分析理论和奇异值分析法，深入研究和详细分析了载体的不同机动方式对SINS可观测性的影响，定量地得到了各种机动方式下系统状态的可观测度。研究结果表明，在SINS动基座对准过程中，同时改变俯仰角、横滚角和航向角的俯冲转弯横滚角变化是一种最佳的机动方式，计算机仿真结果验证了该机动方式的有效性。这为进行SINS动基座快速精确对准方法研究提供了理论参考。     

间接Legendre伪谱法的欠驱动航天器姿态运动轨迹跟踪

针对仅带有两组喷气推力器的非轴对称欠驱动刚性航天器，提出一种基于间接Legendre伪谱法的姿态运动轨迹跟踪控制算法。首先采用Legendre伪谱法(LPM)离线规划出系统的最短时间姿态机动参考轨迹。接着将实际运行轨迹与参考轨迹之间的偏差作为变量，根据Pontryagin极小值原理必要条件把系统姿态运动跟踪问题转化为一个两点边值问题(TPBVP)。最后采用 Legendre-Gauss-Lobatto(LGL)点将此两点边值问题离散转化为一个线性方程组来求解，避免了对传统Riccati微分方程的积分运算。数值仿真校验了本文基于间接Legendre伪谱法的姿态运动轨迹跟踪控制算法的有效性。     

一种天文导航信息导引的星间链路自主定轨算法

针对星间链路自主定轨算法稳定性差,故障无法自主恢复等缺点,提出了一种天文导航信息导引算法,以提升星间链路自主定轨算法的稳定运行能力。算法利用天文导航极高的稳定性与完全自主性,确定星间链路建链指向,以保证星间稳定建链。并且,算法在天文导航中加入强跟踪滤波环节,使在轨道信息出现偏差以致星间链路中断时,具备快速的自主轨道确定及建链恢复能力。经仿真测试表明,卫星平稳运行时,利用本文算法,星间链路仰角及方位角指向误差均小于0.1°。而在轨道机动产生链路中断后,算法可使卫星快速恢复链路建链。仿真测试验证了天文导航信息导引算法的有效性。     

载人月面着陆地形障碍探测与规避方案研究

月面地形障碍是影响载人着陆安全的关键因素之一,可能引起着陆器倾斜、结构损坏甚至倾覆。载人月面着陆除在总体任务规划时要选取平坦安全的着陆区外,还要进行实时在线的地形探测和障碍规避。文章对“阿波罗”计划和“星座”计划中的月面着陆飞行方案和飞行器进行调研,分析了载人月面着陆避障的任务要求和技术特点;结合着陆飞行任务,提出考虑避障的飞行方案,分为高速运动中的粗避障和接近悬停后的精避障两个阶段;考虑月面着陆飞行状态以及光照、月尘等外部环境,设计载人月面着陆时由激光高度计、多普勒激光雷达以及闪光激光雷达组成避障敏感器系统;提出载人避障机动方案,采用接近段中制导目标调整、机动段六自由度控制以及缓速下降段滚动姿态机动等方法,并引入了航天员目测以检查月面地形障碍、选择月面着陆点以及手控进行终端避障机动控制。     

空间飞行器大角度机动递阶饱和控制律设计

针对以飞轮为执行机构的空间飞行器进行姿态大角度机动递阶饱和控制。在初始状念任意，反作用轮输出力矩受限、速率饱和约束条件下，提出递阶饱和的变结构机动策略，即针对飞行器的运动学模型，利用飞行器的误差四元数和角速度，通过绕瞬时欧拉轴旋转，引入误差凹元数限幅器，对姿态偏差进行逐次消除，提出了不需事先规划轨迹的绕欧拉轴逐次逼近控制算法。并且引入模糊推理规则来改进递阶饱和变结构控制设计，使得系统轨迹既能快速趋近滑动面又能降低抖振，有效减弱了一般变结构控制律中抖振问题，从而提高了变结构控制律的品质。     

移动卫星通信捷联式天线稳定系统

介绍了一种应用激光陀螺惯性导航系统组成的移动卫星通信的捷联式天线稳定系统 ,给出了天线稳定和跟踪的控制方法和最优值搜索法。采用该系统可测量载体的姿态角和经度纬度 ,借助于惯性系统的输出信号控制天线轴使天线跟踪指定的卫星 ,卫星天线接收的信号可检测出跟踪误差 ,通过伺服系统控制天线转动 ,以使通讯信号为最强。采用了 GPS修正惯性系统的误差 ,成为 GPS/ INS的组合系统。在山区道路上跑车试验结果表明 ,当车的横滚角和俯仰角达到 6°,频率为 1Hz,方位角变化 180°时 ,在此动态条件下根据测量的卫星信号场强可知 ,跟踪误差小于 0 .2°。接收到的电视信号稳定清晰 ,图像和电话信号都是满意的。跑车试验表明 ,天线跟踪卫星的静态和动态精度完全满足了移动卫星通信的技术要求     

挠性卫星大角度机动变结构控制的全物理仿真实验研究

以具有大面积太阳帆板的卫星大角度机动为背景，针对常用的“飞轮－喷气”执行机械模式研究了变结构控制方案，考虑了控制精度和喷气消耗量问题，并成功地进行了国内首次挠性卫星大角度机动控制的全物理仿真实验，取得了显著的效果。     

空间非合作目标快速姿态跟踪导航方法研究

提出了一种空间非合作目标快速姿态跟踪导航方法。在非合作目标相对测量过程中,激光测距仪测距数据具有不连续的特点。当不具备测距数据时,采用基于位置-速度方差修正的姿态跟瞄导航滤波算法,引导追踪航天器完成对目标的粗捕获和保持;当具备测距信息时,通过引入间接量测矩阵和Wonham能控规范型极点配置方法,采用基于全维状态观测器的姿态跟瞄导航滤波算法,完成对目标的连续精确指向跟踪,并通过配置观测器极点调整滤波收敛速度。本文提出的姿态指向跟瞄导航算法克服了非合作目标跟瞄过程中测距信息不连续的问题,与传统扩展卡曼滤波算法相比,能够避免量测方程近似线性化过程中的大量矩阵求导运算,因而提高了跟踪导航滤波的收敛速度,增强了追踪航天器对非合作目标的快速姿态指向与跟瞄能力。