服务航天器主动绕飞观测的建模与控制

围绕服务航天器对目标任意方位绕飞观测操作,提出一种可灵活配置多种相对运动构型的绕飞建模方法。将绕飞分为过渡过程和绕飞过程2个阶段。通过对绕飞过渡过程采用S型速度曲线进行规划,使服务飞行器从任意初始方位平稳地进入绕飞平面。定义轨迹规划坐标系和期望姿态坐标系,将三维绕飞观测转化为二维轨迹设计与期望姿态解算,实现了绕飞观测的降维设计。定义期望绕飞矢量,实现绕飞构型的灵活配置。建立了相对轨道误差动力学模型,将对绕飞轨迹的跟踪控制转化为对跟踪误差的调节器设计。综合考虑轨道、姿态与挠性附件振动间的耦合作用,设计了基于模态观测器的姿轨联合控制律。数学仿真结果表明了该方法的正确性。     

有限推力下相对绕飞轨道的直接形成

提出了一种有限推力下主动航天器在完成轨道转移的同时形成相对目标航天器绕飞的方法。根据以改进春分点轨道根数表示的非奇异轨道摄动方程,用变分方法将问题转化为经典的最优控制,由相对运动动力学获得主动航天器实现绕飞须满足的终端约束条件,再用非线性规划求解。给出了求解模型。理论分析和仿真结果表明,该方法理论上可行,但为减少干扰产生的偏差,还需对绕飞形成过程中的导引率进行研究。     

基于双目视觉的相对状态自主确定

基于双目视觉系统提出了一种适于交会对接最后阶段的近距离绕飞的相对状态自主确定方法。用修正罗德里格参数(MRP)描述姿态,给出了追踪器与目标器间的相对姿态运动学与动力学方程,以及相对运动方程,根据双目视觉系统的小孔成像原理建立了双目系统的测量数学模型,由扩展卡尔曼滤波(EKF)获得两航天器的相对位姿及其变化率。仿真结果表明该法可行。     

小卫星编队绕飞构型运动学设计与分析研究

基于运动学的相对运动数学模型,利用物理意义更明确的绕飞方程进行了小卫星绕飞轨道的设计.根据绕飞轨道方程,重点分析了4类常用的绕飞编队构型:同绕飞轨道编队、同面同绕飞中心编队、异面同绕飞中心编队和多绕飞中心编队,总结分析了各种编队轨道设计的约束条件,获得了一般规律性结论.最后通过仿真验证了所提出的绕飞编队轨道设计方法和结论的正确性.     

航天器近距离相对运动轨迹设计与控制

航天器近距离相对运动是当前航天领域的重要研究热点。针对圆(近圆)轨道目标航天器,综合利用C\|W方程、脉冲控制和优化理论,系统地解决了航天器相对运动的轨迹设计与控制问题。从C\|W方程解析解出发,给出了自然轨迹和受限轨迹的数学描述;以此为基础,考虑碰撞避免,研究了全局绕飞轨迹和局部限制轨迹的设计与控制。对于全局绕飞轨迹,研究提出了自然椭圆绕飞、自然螺旋绕飞、单脉冲“水滴”形绕飞、多脉冲圆形绕飞和多脉冲“田径场”形绕飞五种轨迹模式;对于局部限制轨迹,研究提出了自然椭圆V\|bar限制轨迹、单脉冲 R\|bar 限制轨迹和多脉冲任意方位限制轨迹三种模式。分析了每种轨迹模式的形成过程和能量消耗,给出了每种轨迹的设计参数,利用仿真算例验证了有效性。此外,对多脉冲圆形绕飞轨迹和多脉冲任意方位限制轨迹,建立了脉冲位置和脉冲时间间隔的优化模型。
     

基于近似生成函数迭代的分布式卫星构形最优控制研究

基于考虑地球非球形摄动的分布式卫星相对运动Hamilton力学模型和生成函数方法研究分布式卫星构形最优控制问题,针对生成函数法的高计算开销,提出了生成函数近似迭代方法.先以较低的计算代价,获得最优控制Hamilton系统生成函数的低阶近似,得到近似最优轨线,再将最优控制Hamilton系统相对于近似最优轨线求"相对运动",该"相对运动"仍具有Hamilton性质,利用其生成函数的低阶近似,对近似最优轨线进行迭代修正,从而以计算代价较小的低阶近似逼近计算代价高得多的高阶近似的精度.对圆参考轨道和椭圆参考轨道下的两种分布式卫星构形调整最优控制问题的求解表明,该方法在保持小计算开销情况下达到了高控制精度.     

访问多个特定相对位置的航天器轨道设计

在航天器轨道设计问题中,将惯性空间中经典的吉布斯三矢量定轨方法拓展到相对运动空间中,给出了一种相对运动条件下的三矢量定轨方法。针对已知轨道的目标航天器,以及二个或三个给定的空间相对位置,基于相对运动方程,提出了设计跟随航天器飞行轨道的数值方法。以轨道面共面或异面,以及目标航天器轨道形状为椭圆或圆,将问题分为四种情况进行约束条件和自由变量个数的分析讨论。对于自由变量个数多于约束方程的情况,额外给定周期重访约束,将各种情况下的特定相对位置访问问题转化为一至二维的非线性方程(组)求解问题。对一维方程求解采用分段黄金分割+割线法进行快速求解;对二维方程组通过网格法搜索迭代初值并通过牛顿迭代快速求解。进一步基于线性模型的解,采用微分修正方法求解了各情况下J2摄动模型下的结果。数值算例验证了提出方法的正确性及有效性。     

轨姿控推进系统用电磁阀性能仿真研究

轨姿控推进系统采用电磁阀控制内部流体通路的开启与断流,从而实现其重复启动和脉冲工作.在轨姿控推进系统快速稳定工作问题的研究中,电磁阀的性能对推进系统至关重要.针对轨姿控推进系统用电磁阀,基于电磁学及运动学等基本原理,建立了电磁阀动态数学模型,利用Matlab Simulink软件进行了动态仿真,得到了电磁阀动态响应特性;采用CFD软件对阀门内部流场进行数值模拟仿真,获得了精确的静态流阻特性,直观展现了电磁阀动态流场,为电磁阀的性能优化和轨姿控推进系统的性能提高提供依据.     

卫星快速绕飞轨迹设计与制导

快速绕飞在航天器近距离观测、空间目标识别与侦察、在轨服务与应急情况处理活动中具有重要应用。首先建立了适用于目标航天器运行在圆轨道或椭圆轨道的相对运动状态转移矩阵;然后,推导了采用多脉冲控制方法实现与目标航天器共面和异面快速绕飞、进入绕飞和退出绕飞的轨迹设计与制导的模型和算法;最后,分析了绕飞过程速度脉冲需求与绕飞参数的关系。仿真计算结果表明所提出的快速绕飞轨迹设计模型和制导算法可以用于对圆轨道或椭圆轨道目标航天器的共面或异面快速绕飞。     

一种GEO卫星太阳光遮挡轨迹设计与控制方法

为满足未来GEO卫星空间对抗手段多样化的需求,提出了一种对太阳光进行遮挡的新型空间攻防系统.首先,分析了太阳矢量在目标航天器轨道坐标系中的运动特性,基于近距离相对运动方程设计了追踪航天器的圆锥面绕飞轨迹,推导了 N等份遮挡轨迹下的总速度增量表达式.其次,考虑非线性误差和复杂空间环境摄动的影响,采用自抗扰控制方法设计了闭...     

一种用于非合作目标惯性指向轴位置捕获的绕飞方法

本文提出一种用于非合作目标惯性指向轴位置捕获的绕飞方法。该方法依据实时相对位置和目标位置确定绕飞坐标系；在绕飞坐标系中，分别采用扇形轨迹和直线轨迹设计了两类接近轨迹规划策略，利用相对位置和目标位置间的夹角进行规划策略选择，以规划得到过渡目标位置，并采用CW制导进行过渡目标位置的接近控制；为保证绕飞过程中相对测量敏感器始终有效测量，还设计了姿态指向控制律使追踪航天器x轴指向目标航天器。数学仿真校验了所设计方法的有效性。     

有限推力作用下相对运动的轨道控制方法研究

研究卫星在有限推力作用下的相对运动轨道控制问题。给出在地心惯性系描述的卫星相对轨道运动方程,根据最优控制理论提出一种有限推力作用下近似最优的轨道控制方法,该方法能适用于空间三维的轨道机动控制问题,最后通过数学仿真进行了验证。     

椭圆轨道交会、悬停与绕飞的全状态反馈控制

面向大椭圆轨道航天器交会对接、编队伴飞以及在轨操控等空间应用的需求,对大椭圆轨道上航天器间的相对运动进行了分析与建模,采用幂级数法分别在脉冲推力和常值推力作用两种情况下对系统进行了近似求解。通过对系统解的变换以及对系统状态的重构,给出了大椭圆轨道上的三种交会制导律。脉冲推力作用假设下的脉冲制导类似近圆轨道的Hill制导方法。常值推力作用假设下的全状态反馈制导律则在交会制导、相对悬停和循迹绕飞控制的过程中实现了对相对位置和相对速度的同步控制。通过构造新的系统状态,改进的变系数全状态反馈制导律提高了相对速度的制导精度,降低了相对制导过程中的最大轨控加速度。三种制导律的制导效果通过数学仿真进行了校验和比较,文中给出的方法实现了椭圆轨道上相对交会制导、悬停保持和循迹绕飞控制。     

解析求解非线性相对运动的最优重构问题

椭圆轨道相对运动模型的线性化导致其在大尺度相对运动应用中精度不能满足需求。针对任意椭圆轨道上的大尺度航天器编队最优重构问题,提出一种基于椭圆轨道非线性相对运动模型的近似解析求解方法。首先通过变分法建立了非线性最优重构问题的数学模型;然后采用摄动法,以偏近点角为积分变量求得了不含特殊积分的解析开环最优控制,有效地避免了真近点角域下最优控制解所含有的特殊积分。仿真验证了所求最优控制的有效性和优越性,结果表明在相对运动尺度较大时,相比基于椭圆轨道线性化模型的最优控制,在燃耗保持相近的情况下,所求非线性控制有效地降低了重构误差。     

Application of SDRE technique to orbital and attitude control of spacecraft formation flying

This paper proposes the application of a nonlinear control technique for coupled orbital and attitude relative motion of formation flying. Recently, mission concepts based on the formations of spacecraft that require an increased performance level for in-space maneuvers and operations, have been proposed. In order to guarantee the required performance level, those missions will be characterized by very low inter-satellite distance and demanding relative pointing requirements. Therefore, an autonomous control with high accuracy will be required, both for the control of relative distance and relative attitude. The control system proposed in this work is based on the solution of the State-Dependent Riccati Equation (SDRE), which is one of the more promising nonlinear techniques for regulating nonlinear systems in all the major branches of engineering. The coupling of the relative orbital and attitude motion is obtained considering the same set of thrusters for the control of both orbital and attitude relative dynamics. In addition, the SDRE algorithm is implemented with a timing update strategy both for the controller and the proposed nonlinear filter. The proposed control system approach has been applied to the design of a nonlinear controller for an up-to-date formation mission, which is ESA Proba-3. Numerical simulations considering a tracking signal for both orbital and attitude relative maneuver during an operative orbit of the mission are presented.     

轨道交会、悬停及绕飞控制的解析解方法

面向航天器交会对接、编队伴飞以及在轨操控等空间应用的需求,分别对近圆、椭圆轨道上航天器间的相对运动进行了分析与建模,在常值推力作用假设下进行了相对运动的解析求解。采用模型预测的方法获得航天器相对位置和相对速度的预期偏差。通过广义逆变换构造关于预期偏差的最小范数、最小二乘全状态反馈控制器。提出了一种普遍适用于近圆、椭圆轨道,可以实现轨道交会、相对悬停保持和循迹绕飞,对相对位置和相对速度进行同步控制的高精度、高稳定度相对制导律。仿真结果校验了方法的可行性和有效性。     

基于追逃博弈的非合作目标接近控制

针对追踪航天器接近非合作目标任务中的相对位置控制问题,提出了一种基于线性二次型追逃博弈的控制方法。首先,将非合作目标接近问题转化为二人追逃博弈问题,并设计了二次型目标函数。其次,结合相对运动模型,建立了线性二次型追逃博弈模型。为得到纳什均衡策略,将HJ方程转化为代数黎卡提方程,并给出了李雅普诺夫迭代法对其求解。最后,对博弈控制方法的有效性进行仿真验证,结果表明,该方法能够在非合作目标机动时实现轨道接近控制。     

面向空间近距离操作的机械臂与服务卫星协同控制

针对航天器在轨服务任务中涉及的空间近距离操作需求，提出一种机械臂与服务卫星协同控制方法。首先建立了机械臂和服务卫星组合体动力学模型以及服务卫星和目标卫星相对位姿耦合动力学模型。然后采用全局终端滑模控制设计了机械臂轨迹跟踪控制方法，采用PD控制设计了服务卫星相对位姿耦合控制方法，并将机械臂反作用力和力矩作为前馈补偿叠加到服务卫星控制系统中，实现了两者的协同控制。最后通过数值仿真验证了控制方法的有效性。仿真结果表明，该方法能够满足空间近距离操作任务对机械臂和服务卫星的控制精度、稳定性和误差收敛时间的要求，具有工程实用性。     

Optimal diving maneuver strategy considering guidance accuracy for hypersonic vehicle

An optimal maneuver strategy considering terminal guidance accuracy for hypersonic vehicle in dive phase is investigated in this paper. First, it derives the complete three-dimensional nonlinear coupled motion equation without any approximations based on diving relative motion relationship directly, and converts it into linear decoupled state space equation with the same relative degree by feedback linearization. Second, the diving guidance law is designed based on the decoupled equation to meet the terminal impact point and falling angle constraints. In order to further improve the interception capability, it constructs maneuver control model through adding maneuver control item to the guidance law. Then, an integrated performance index consisting of maximum line-of-sight angle rate and minimum energy consumption is designed, and optimal control is employed to obtain optimal maneuver strategy when the encounter time is determined and undetermined, respectively. Furthermore, the performance index and suboptimal strategy are reconstructed to deal with the control capability constraint and the serous influence on terminal guidance accuracy caused by maneuvering flight. Finally, the approach is tested using the Common Aero Vehicle-H model. Simulation results demonstrate that the proposed strategy can achieve high precision guidance and effective maneuver at the same time, and the indices are also optimized.     

天问一号着陆器大底分离安全性分析与验证

针对天问一号着陆器大底分离过程,建立大底分离动力学模型并分析分离安全性,基于分析结果设计了大底分离策略.利用大底分离动力学模型和近距离扰动气动模型,分析了分离过程的相对速度和姿态运动规律,根据大底与着陆器的正分离要求确定了大底分离的最小弹射速度.考虑到着陆器姿态运动影响分离安全性,对着陆器施加角速度阻尼控制并限制了最短...