利用库仑力实现悬停轨道的新方法研究

研究了利用库仑力控制实现近距离悬停轨道的问题。针对常规推力器对悬停任务可能产生的羽流污染,提出了一种使用航天器间库仑力实现悬停轨道的新方法,并研究了使用该方法实现悬停轨道的开环与闭环控制问题。基于所建立的库仑力悬停轨道动力学模型,给出了目标为一般椭圆轨道时的开环控制律。基于线性化的悬停轨道动力学模型,给出了目标轨道为圆轨道时的闭环控制律,并进行了数值仿真,结果表明所建立的动力学模型及所设计的控制律是有效的和可行的。文章提出的方法也可以用于其他类型的航天器近距离相对运动控制问题。     

柔性航天器高精度隔振与定向研究

随着大型航天器柔性越来越大,结构越加复杂,导致低频柔性模态密集,但同时需要极高的定向精度及姿态稳定度, 这就对航天器姿态控制系统提出了更高的要求。本文采用拉格朗日法建立了柔性航天器姿态轨道耦合动力学模型,并设计了大角度机动航天器的姿态控制器。Lyapunov定理给出闭环系统的稳定性,在0.03Nm均方根的白噪声扰动下,大角度机动姿态角误差小于0.02°,均方根误差0.003°, 为了抑制姿态抖振,设计了复合控制器,采用Stewart平台对敏感载荷局部高精度主动隔振和定向,局部控制后敏感载荷的定向误差小于0.0001°,均方根误差0.000036°。鲁棒 Η ∞ 控制器对Stewart平台主动镇定时,姿态抖振小于0.000002°,均方根误差小于 0.0000008° ,姿态稳定度优于0.00001°/s。     

轮控航天器的IMM自适应反步变结构容错控制

针对存在飞轮故障、转动惯量不确定性和干扰力矩的轮控航天器姿态机动问题,提出了一种基于交互多模型算法(IMM)的自适应反步变结构容错控制方法。该方法可以有效提高系统控制精度,保证航天器姿态机动误差收敛到系统平衡点的较小邻域;同时有效减小飞轮抖振,降低诊断不确定性对系统的影响。最后在Matlab/Simulink环境下对航天器姿态机动进行了仿真研究,结果表明了提出的控制算法在处理航天器姿态机动问题方面的有效性和可行性。     

基于模型预测的轨道自主快速大机动控制

为改善太阳同步轨道(SSO)卫星轨道大机动经典控制方法的性能,提出了一种基于卫星动力学模型预测的轨道自主机动控制算法,用大推力轨控发动机开环控制加小推力器闭环修正进行控制。给出了制导策略和算法流程。理论分析和仿真结果表明,该控制算法适于卫星轨道自主快速机动控制,其轨控精度较高,收敛时间可满足快速性要求。     

不同推力下的非合作空间目标轨道机动检测

针对非合作空间目标轨道机动检测问题,创新性地提出具备普适性的不同推力下的轨道机动检测算法与检测流程。首先给出不同推力作用下轨道机动动力学模型,在此基础上提出普适性轨道机动检测策略,包括：全模型地基与天基观测数据仿真策略,数据处理软件平台,脉冲推力、连续大推力与连续小推力轨道检测算法与流程,精度评估策略。该策略利用不同推力作用下的检测算法与流程,可以满足多数非合作目标轨道机动检测需求。结合地基与天基观测数据,仿真分析不同推力下的非合作目标轨道机动检测情况与轨道精度恢复情况,结果表明该策略能对轨道机动进行有效检测,为工程实际提供了有益借鉴。     

仅测角导航的自主交会闭环控制偏差分析

基于仅测角的相对导航技术是降低航天器相对导航系统复杂性和成本的有效手段。在仅测角相对导航模式下,对自主交会闭环控制过程的状态偏差进行了分析和仿真。基于相对动力学方程,建立了以仅测角为测量参数的非合作式相对导航模型。采用脉冲闭环控制方式,对追踪器在仅测角导航条件下的相对导航协方差及相对运动轨迹控制协方差进行了分析。最后,采用数值仿真手段,对自主交会闭环控制过程的导航和轨迹控制协方差特性进行了分析,并通过100次Monte Carlo打靶仿真验证了轨迹控制协方差分析的正确性。     

航天器近距离视觉制导自主机动轨道优化

研究具有视觉导引路径约束的航天器近距离机动轨道优化数值计算问题。首先,给出了带路径约束的椭圆参考轨道航天器近距离轨道机动最优化问题数学模型。利用高斯伪谱法将上述最优化问题转化为非线性规划问题,优化参数为配点上的状态量和控制量。然后,利用MATLAB的SNOPT软件包对非线性规划问题进行求解。最后通过数值仿真验证了方法的有效性和鲁棒性。     

一种常值推力作用的轨道机动优化设计策略

针对常值推力作用的航天器轨道机动优化设计问题开展研究,推导了航天器三维空间轨道机动动力学模型,对动力学模型各参数进行无量纲化处理以防止计算过程中出现奇异。提出了一种先轨道等待再轨道机动的优化设计策略,航天器先在初始轨道上无动力飞行一段时间进行轨道等待,然后寻找一个最优时刻施加推力再进行轨道机动。该策略将航天器的最优等待时刻和轨道机动过程中的最优控制量作为整体统一进行优化。通过基于分段积分技术的多重直接打靶法将原先复杂的轨迹优化设计问题转化为每个子时间区间的非线性规划问题,采用内点法进行求解。仿真验证了本文优化设计策略的有效性。     

PCE方法在空间实验室轨道预报误差分析中的应用

应用多项式混沌展开法(PCE)进行空间实验室轨道预报误差分析。通过构建PCE模型对轨道预报的不确定性传播过程进行近似，进而对轨道预报后航天器位置和速度的误差进行分析。分析了不同PCE模型阶数、预报时长以及样本点的数目对构建PCE模型的影响。综合考虑精度和计算效率，给出了适用于空间实验室轨道预报误差分析的PCE模型。将PCE方法与传统方法进行对比，结果表明PCE方法有较好的非线性近似能力，且计算效率高，验证了PCE方法应用于空间实验室轨道预报误差分析的有效性。     

一种航天器空间机动轨道的改进形状设计方法

针对带推力约束的航天器三维空间机动轨道初始设计问题,提出了一种基于傅立叶级数展开的改进形状设计方法。首先,在柱坐标系下建立了航天器运动模型,并将基于傅立叶级数展开的形状方法推广到三维空间的机动轨道初始设计;然后,基于所得到的空间初始机动轨道,采用直接配点法进行了完整三维空间机动轨道的优化设计。仿真结果表明,提出的方法可以为带有任务约束的航天器三维空间机动轨道的优化设计提供更优的初始参数及其解析解,为空间机动轨道设计提供了新的方法。     

J2摄动下脉冲推力星下点轨迹调整解析算法

针对快速响应对地成像任务,在轨卫星可通过轨道机动实现星下点轨迹调整。研究了J2摄动下小椭圆轨道的脉冲推力星下点轨迹调整的解析算法。首先给出脉冲推力下小椭圆轨道参数变化模型和滑行段星下点轨迹运动模型;然后通过分析得到影响星下点轨迹的四个轨道要素,进一步推导了平近点角增量近似公式,并得到它与速度增量的线性关系表达式;最后推导了J2摄动下星下点轨迹调整需要的脉冲的三种解析方法。仿真结果表明,三种解析算法运算速度快,地面位置误差小于7km。     

基于伪谱法的固定采样实时最优制导方法研究

针对具有过程约束和终端状态约束的高超声速飞行器再入制导问题,给出了一种固定采样非线性实时最优制导算法,该算法通过连续在线计算开环最优控制的方式提供闭环反馈,避免了内环跟踪控制器的设计过程。利用通用伪谱优化软件包实现多约束非线性系统最优控制问题的在线求解。在考虑计算误差、预报误差、模型参数不确定性和干扰的情况下,对采用该算法构成的闭环控制系统的有界稳定性进行了理论分析与证明。仿真结果表明,该实时最优制导算法能有效地抑制飞行过程中不确定性和扰动的影响。     

卫星对动能拦截器的一种规避策略

为了解决卫星对逆轨来袭动能拦截器的末段防御问题,提出了一种卫星轨道机动规避策略。首先建立了拦截器攻击区的概念,分析了攻击区的特性,具体推导了攻击区的估算方法。在此基础上,根据卫星机动对拦截器攻击区的影响,提出了卫星的轨道机动规避策略。最后,对所提出的攻击区估算方法和卫星轨道机动规避策略进行了仿真验证。仿真结果表明,在拦截器推进剂充足和滚动角稳定值已知的条件下,所提出的攻击区估算方法比较准确;卫星的轨道机动规避策略有效可行。所提出的规避策略对处于攻击区内不可逃逸圆外的卫星,可以保证其以最短的机动时间成功规避拦截器的攻击,对处于不可逃逸圆内的卫星,也可以保证其具有最大的成功规避概率。     

天基空间监视交会计算和可观测时段预报的误差分析

将卫星和目标的轨道预报误差引入天基空间目标监视的任务规划中,研究了交会计算和可观测时段预报的误差分析方法。在协方差转换基本方法和交会信息计算公式的基础上,推导了从RSW轨道坐标系到RAE参数（距离、方位角、俯仰角）的协方差转换方法。对LEO和GEO目标观测分别引入相对速度和角距变化率,给出了可观测时段误差的分析方法。算例表明本文的计算结果与Monte-Carlo仿真结果相对误差不大于4%,典型轨道误差下LEO和GEO目标的可观测时段误差分别为0.2秒和3秒量级。该方法对任务规划和姿态及相机导引具有指导意义,还可用于分析成功观测对轨道预报精度的需求。     

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。     

分布式卫星系统在轨操作的多目标分配

针对空间在轨操作目标分配问题,以分布式卫星系统为研究对象,提出了一种基于粒子群算法的在轨操作多目标分配方法。以分布式卫星机动所消耗的总能量最省为目标函数,建立了在轨操作多目标分配的数学模型。基于固定时间拦截理论,以机动时刻和对应的速度增量作表征,设计实现了单颗卫星最优机动方案。通过合理设计粒子位置与目标分配解的对应关系,采用粒子群算法对问题进行了求解,并详细阐述了算法的实现步骤。算例分析结果表明,建立的模型和算法能够快速得到正确的可行解,可有效解决多约束条件下空间在轨操作的多目标分配问题。     

月球软着陆的二次型最优制导方法

为实现在月球表面指定区域的精确软着陆,研究了月球软着陆的线性二次型最优制导方法。利用简化的轨道动力学模型,给出了一种基于状态和能耗最优的软着陆二次型制导方法。由于制导律要求同时提供3个方向的时变推力,所以需要通过变推力发动机和姿态机动来实现。该制导方法虽能满足精确软着陆的需要,但对姿态变化的要求超出了着陆器姿态机动能力。因此,本文修正了二次型最优制导方法,取消了对轨道参数的过程约束,仅对其终端进行约束,通过求解着陆指定目标点的能耗最优两点边值问题,得到了发动机推力大小和方向的显式表达式。研究结果表明,利用一定的姿态机动能力,修正的制导方法能够满足精确软着陆的需要。     

欠驱动航天器编队重构的切换神经网络控制

针对圆轨道欠驱动航天器编队重构问题,将传统的自适应神经网络控制器和自适应滑模控制器相结合,设计了一种切换神经网络控制器,用以跟踪由伪谱法求解得到的航天器编队重构的最优开环控制轨迹。自适应神经网络控制器在活跃区域内工作,利用径向基神经网络(RBFNNs)近似动力学系统中的不确定项,自适应滑模控制器在活跃区域外工作,利用自适应律来估计近似误差上界,并采用李雅普诺夫方法证明了闭环系统稳定性。数值仿真结果表明切换神经网络控制器可在欠驱动条件下实现编队重构,与线性滑模控制器相比,实现了控制器快速、高精度、强鲁棒等控制性能。     

北斗三号卫星与上面级供电相关接口分析及验证

卫星采用运载火箭上面级发射入轨期间，经历了由大椭圆轨道至圆轨道的过程，飞行姿态经历了变轨、慢旋、分离后巡航等多个阶段。在太阳翼展开前，卫星要经历比自身变轨更为恶劣的高低温环境及能源紧张等供电风险。在分离时刻的太阳翼碰撞或干涉安全性也需要重点关注和分析。针对北斗三号一箭双星采用上面级直接入轨方式的特点，分析了卫星与上面级间的供电和热设计接口，并从双星分离安全性角度考虑，分析影响卫星与上面级接口安全性的主要要素，并对应用和验证情况进行总结。