大前置角拦截攻击时间控制导引律

为了实现大前置角拦截下的时间一致性饱和攻击,利用非线性导引方程,采取基于预测命中点（PIP）的剩余时间估计方法,结合等效滑模控制理论和Lyapunov稳定性定理,设计了一种大前置角拦截攻击时间控制导引律（ITCG）。针对固定目标和非机动运动目标,在弹目接近速度为负的情况下也能保证准确命中,实现了任意初始前置角下的指定时间到达,拓宽了导弹的制导初始条件,并给出了严格的理论证明。不同初始条件下的仿真结果验证了导引律的有效性。      

椭圆轨道非合作目标交会接近策略与控制

文章研究了追踪航天器与失控旋转非合作目标航天器在椭圆轨道中的交会接近策略与控制。在接近策略方面,首先,根据目标航天器大致结构设定一个安全的停泊点,使追踪航天器交会至停泊点;其次,通过在停泊点对旋转目标航天器姿态的观测,分析和预测其运动并确定合适的抓捕点位置,设计安全的接近轨迹,使追踪航天器沿着该轨迹接近至理想的抓捕实施点位置。在控制方面,考虑实际系统中的不确定性,只利用两航天器之间相对位置的测量信息,设计基于特征模型的自适应控制方法实现交会接近。最后通过数学仿真模拟整个交会接近过程,验证了文中所提出的接近策略和控制方法。     

拦截高速目标的全向真比例制导律研究

针对高速目标拦截问题,提出了能自动选择拦截模式并调整拦截弹速度,兼具顺、逆轨拦截能力的全向真比例制导律(OTPN),该制导律可以满足对高速目标实施全向拦截制导的需求。本文在高速目标的比例拦截制导研究中,发现存在2个满足成功条件且比例关系符号相反的制导终点,分别对应顺、逆轨拦截模式;在制导律的设计中综合控制加速度限制因素,通过制导比例关系的正负变换放宽了初始拦截约束条件。数值仿真结果验证了OTPN的正确性和有效性,与其他制导方案的拦截仿真比较表明:同等拦截条件下OTPN的捕获范围、拦截时间和总控制量需求等参数均优于经典比例和负比例制导律;通过捕获能力仿真,研究了控制加速度上限和比例系数取值对OTPN拦截捕获能力的影响。      

大椭圆轨道卫星交会高轨目标的高精度视线跟踪控制

针对大椭圆轨道卫星交会高轨卫星期间的相对姿态指向控制需求,提出了一种采用混合执行机构的快速、高精度视线跟踪姿态控制的方法.首先根据相对姿态控制流程设计了执行机构的配置,结合采用喷气推力器和角动量交换装置卫星的姿态动力学模型,推导了用相对四元数描述的视线运动学方程.其次,针对交会快速接近段的姿态快速机动要求设计了一种喷气相平面控制律,针对最近交会段的高精度高稳定度视线跟踪要求设计了一种鲁棒滑模控制律.最后设置了一个算例,仿真结果表明:相对距离100 km以内快速交会阶段的视线跟踪控制精度达0.005 3°,从而验证了整套控制算法的有效性.     

自适应非奇异快速终端滑模固定时间收敛制导律

针对机动目标的末制导拦截问题,设计了一种带攻击角度约束的非奇异快速终端滑模固定时间收敛制导律。与有限时间收敛终端滑模制导律相比,所提制导律能够确保弹目视线（LOS）角和弹目视线角速率在固定时间内是收敛的,并且收敛时间是独立于制导系统初始条件的,可以根据制导律参数预先给定。构造了一种新型的非奇异快速终端滑模面,有效解决了奇异性问题,同时通过合理地改变滑模面与弹目视线角跟踪误差的趋近律指数,使得制导系统比现有的固定时间收敛控制具有更快的收敛速率。此外,设计了一种自适应律,针对目标机动引起的未知扰动进行估计,使得制导律的设计无需预先知道任何关于目标机动的信息。通过仿真实验验证了所提制导律能够使导弹成功拦截机动目标,并且与现有制导律相比,具有更快的系统收敛速率、更高的拦截精度及更短的拦截时间。      

基于双目视觉的非合作目标逼近控制系统设计与仿真

主要研究空间非合作目标近距离逼近过程的控制系统设计与仿真问题.针对采用双目视觉敏感器实现对非合作目标的观测情况,提出一种考虑成像误差的目标位置矢量计算方法,有效保证目标位置解算的可行性.在主星视线坐标系下,分别考虑逼近过程的最大相对速度约束、控制推力和力矩约束,设计了基于非线性项解耦的递阶饱和PID形式的近距离逼近位置控制律和姿态控制律,并在逼近过程中设置停泊点以确保与目标无碰撞.最后对典型航天器非合作目标抓捕任务进行了数学仿真,仿真结果表明所提出的方法可在满足各种约束的情况下有效实现任意方向的空间非合作目标的抓捕任务.     

有界双重控制导弹微分对策制导律

针对有界控制导弹采用鸭舵或尾舵单一控制形式存在的劣势,基于双边优化微分对策理论,推导了一种有界双重控制导弹微分对策制导律。该制导律不仅将鸭舵与尾舵两组舵面的控制有效融合在一起,而且实现了有界控制命令最优的分配设计。分析了该微分对策制导律的对策空间,并从弹目机动性能比和控制系统时间常数比之间的关系,给出了鞍点解的存在条件。考虑非完全信息情形,完成了目标加速度滤波器和拦截性能衡量指标的设计。采用Monte Carlo法进行了制导性能的仿真验证,结果表明:所设计的有界双重控制导弹制导律与采用单一的鸭舵控制或尾舵控制的导弹相比不仅机动性要求较低,且具有较高的命中概率。      

带有拦截时间约束的协同制导方法

针对多飞行器协同拦截机动目标问题，基于有限时间滑模控制方法和一致性理论提出一种考虑拦截时间约束的协同制导方法。基于相对运动学和动力学关系，建立考虑拦截时间和角度约束的协同拦截模型；基于滑模控制理论和超螺旋控制算法分别设计了视线方向和视线法向协同制导律以保证各飞行器拦截时间在有限时间内一致收敛且拦截角度收敛到期望值；基于一致性理论证明了所提方法有限时间一致收敛性能。仿真结果表明：所提方法能够保证各飞行器以期望拦截角同时拦截目标，验证了所提方法的有效性。     

非合作自主交会对接的动态障碍物躲避制导

首先,在视线坐标系下建立了系统相对运动状态方程,将人工势函数制导方法应用于航天器的非合作自主交会对接任务和动态障碍物躲避问题。其次,利用Lyapunov稳定性理论分析证明了在该制导方法控制下系统的稳定性,并且研究讨论了两种不同情形下的动态障碍物躲避效果,分析了人工势函数制导方法的应用能力。最后,用精确的数学模型进行了数值仿真,验证了制导方法应用于所研究问题的正确性和有效性。     

旋转非合作目标终端逼近的姿轨控制研究

针对旋转非合作目标的终端逼近过程进行研究, 建立了适用于任意偏心率的精 确航天器相对运动和姿态动力学模型, 并对传统的直线型同步自旋逼近策略进行 改进, 设计了用于保障终端逼近安全性的指数衰减型参考轨迹; 推导了基于比例 微分加解耦控制方法的相对轨道和姿态控制律, 通过数值仿真验证了控制器的有效性.      

Cooperative augmented proportional navigation and guidance for proximity to uncooperative space targets

Navigation and proximity to non-cooperative targets have garnered the interest of both academia and industry. This paper proposes a new space operation concept that would enable two CubeSats equipped with only optical sensor to achieve autonomous and robust proximity with uncooperative satellites. This is a novel strategy for distributed spacecraft missions and applications.Because optical sensors are lightweight and therefore reduce reliance on external measurement sources, the case for their use is compelling. Designing robust guidance and control algorithm is the greatest challenge for optical sensors because relative distance information is unavailable, whereas range information is required for safe proximity. The purpose of this paper is to propose a novel concept in which two CubeSats cooperate and share angle measurement data to approach uncooperative targets despite their maneuverability.This paper introduces a new guidance scheme for proximity operations, namely cooperative augmented proportional navigation (CAPN). Modern control law is applied along line-of-sight (LOS) while classical proportional navigation is applied in the normal direction of LOS. By measuring only elevation and azimuth angles between each chaser and the target, the algorithm can account for a maneuvering target. The cooperative scheme offers estimation-based distance measurement, which enhances the observability of angle-only navigation.Target’s maneuverability and different control parameter settings have been considered in simulation scenarios. The degree of observability (DOO) is then introduced as the quantitative observability analysis metric to validate the effectiveness of the guidance scheme and precision of the estimation. The results of simulations have demonstrated that the CAPN proposed in this paper is capable of completing challenging proximity missions.     

最优气动力辅助空间拦截和交会

航天器从高轨道向位于低地球圆轨道的靶目标实施拦截或进行交会 ,并用间接求解的直接伴随方法 ,即用D型拉格朗日方法求解其优化问题。拦截条件是指在最终时刻两者的位置相同 ,而交会条件是指不仅位置相同且最终的速度矢量亦相等。文章讨论了最小时间与最小脱靶量 ,或最小时间与最小燃料消耗的复合性能指标 ,以及推力协同机动的优化解。推力协同下 ,对于特定情况 ,如在热流约束边界部分推力弧是奇异的 ,气动力控制是正常的。这种复杂性和奇异问题的求解在拦截和交会问题中都是值得慎重处理的。     

Robust fault-tolerant saturated control for spacecraft proximity operations with actuator saturation and faults

In this paper, the motion control problem of autonomous spacecraft rendezvous and docking with a tumbling target in the presence of unknown model parameters, external disturbances, actuator saturation and faults is investigated. Firstly, a nonlinear six degree-of-freedom dynamics model is established to describe the relative motion of the chaser spacecraft with respect to the tumbling target. Subsequently, a robust fault-tolerant saturated control strategy with no precise knowledge of model parameters and external disturbances is proposed by combining the sliding mode control technique with an adaptive methodology. Then, within the Lyapunov framework, it is proved that the designed robust fault-tolerant controller can guarantee the relative position and attitude errors converge into small regions containing the origin. Finally, numerical simulations are performed to demonstrate the effectiveness and robustness of the proposed control strategy.     

服务航天器超近程逼近失控目标的建模与控制

为在轨服务任务中实施对失控目标的安全逼近与对接,开展了服务航天器超近程逼近过程的动力学与控制研究。通过引入描述相对运动构型变化的期望相对位置矢量和位置误差矢量,推导了一种新颖的相对轨道误差动力学模型;考虑对接机构安装位置及安装误差,并结合相对姿态动力学模型,建立了逼近过程的相对姿态轨道耦合动力学模型;根据逼近路径约束条件,设计了逼近过程的期望相对位置矢量导引律;基于相对姿态轨道一体化耦合动力学模型,设计了考虑未知有界干扰的自适应时变滑模控制律并利用李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环系统的全局稳定性。仿真结果表明,设计期望相对位置矢量导引律的方法能够实现逼近过程的相对运动构型变化控制,并且所设计的自适应时变滑模控制律具有较高的控制精度。     

空间非合作目标交会对接影像测量自适应处理

分析了空间非合作目标影像测量及特征点提取机理,根据对接中特征点识别噪声不确定和空间摄动引起的模型误差,对传统滤波方法进行改进;通过量测更新后的新息数据对量测噪声量级进行估计,同时采用渐消自适应方法对模型误差进行处理,增进滤波效果;设计了针对空间非合作目标对接段的滤波器,能够提供对接段相对位置、速度、姿态角及角速率估计信息。仿真结果表明,提出的改进滤波算法能够在测量噪声不确定和模型误差条件下达到较好效果。     

交会对接光学成像敏感器中合作目标的分析与设计

交会对接技术是实现太空梭、太空平台和空间运输系统的装配、回收、补给、维修、太空人交换及营救等在轨服务的先决条件，交会对接光学成像敏感器是两航天器交会对接近距离平移靠拢段唯一能够提供六自由度相对导航信息的敏感器，由安装于追踪飞行器上的相机和安装于目标飞行器上的合作目标组成，采用角反射器作为合作目标标志，完成两飞行器间的相对位姿的解算.对其需求分析、设计方案、回光能量测试等进行了讨论，该方案已在神舟十一号载人飞船、天舟一号货运飞船与天宫二号的交会对接任务中成功验证，后续针对空间站及光学舱任务进行适应性修改.     

可实现定点停泊与轨迹逼近的航天器交会控制

许多空间任务均需进行轨道交会,据任务的不同,对轨道交会的要求也不同,某些情况下需要跟踪星在交会的过程中暂时停泊于某一点,某些情况下对交会过程的视线角与轨迹提出一定的要求.针对这种需求,设计了一种闭环反馈控制方法,可以使跟踪星在设定的某点进行停泊及停泊保持,也可以沿设定的某条轨迹逼近目标,以满足不同任务对交会过程的不同要求.经仿真表明,此方法能够很好的满足任务要求,并具有精度高、能耗低、跟踪速度快的特点.