In-orbit demonstration of rendezvous laser radar for unmanned autonomous rendezvous docking

The National Space Development Agency of Japan (NASDA) performed unmanned autonomous rendezvous docking (RVD) experiments using the Engineering Test Satellite VII (ETS-VII) in 1998 and 1999. In these experiments, a rendezvous laser radar (RVR) was used as the primary navigation sensor during the final approach phase (relative distances from 500 m to 2 m). The RVR functioned properly, and its characteristics, which are measurement accuracy, optical propagation, and acquisition/tracking, satisfied the requirements. The experimental results show that RVR is effective for autonomous rendezvous docking.     

交会对接任务轨道控制规划设计与实施简

针对我国空间交会对接轨道控制规划技术,研究了轨道交会优化、应急轨道控制、安全轨道防护和发射窗口规划等一系列关键问题.设计了全寿命周期交会对接任务轨道控制规划方案,从目标飞行器发射到飞船返回,对轨道控制进行了全程协同、全局优化.设计了相位、高度、圆化度多目标融合控制算法;建立了规划变量对远距离导引终点六自由度的独立控制方程;设计了标称整体规划与动态逐级规划相结合的多模式规划策略;基于导引终点整体调整和局部调整的方式,实现了正常和应急条件下天地导引交接点的动态规划;提出了基于飞行控制过程建模的导引终点精度分析方法,确定了地面导引向自主导引切换的关键判据;建立了多约束交会对接发射窗口模型,构建了多任务多年度发射窗口集合.交会对接轨道控制规划技术成功应用于神舟八号、神舟九号和神舟十号交会对接任务.     

辅助驾驶员操纵的预见显示及预测控制

针对人具有预见、预测能力和驾驶员操纵品质要求,提出了辅助驾驶员操纵的预风显示及预测控制方案。应用预见控制技术对驾驶员最优控制模型,显示与控制协调性合成设计的预见加速显示进行了研究,建立了驾驶员跟踪目标信号的最优预见控制模型和基于系统状态的预见加速显示的人机预测控制结构。用非零和协调性动态规划法进行驾驶员－显示器－控制器的最优协调性合成设计。可减轻驾驶员的操纵负担,提高了飞行品质和主观评价。     

多自主翼伞系统建模及其集结控制

当前对翼伞系统的研究主要集中在单个翼伞,但实际空投中一般需要使用多个翼伞,才能完成大量物资、装备的空投补给任务,而多个翼伞同时空投时,将会出现翼伞需要集结、相互间需要避免碰撞等在单翼伞空投时不存在的问题。现有的单翼伞系统已能通过GPS/惯导系统及其他板载传感器实现自主飞行,针对多个自主翼伞的空投任务设计算法,以控制下降翼伞之间的相互运动,实现多翼伞系统的集结和避碰。首先以质点模型为起点,通过引入新的独立变量,并将翼伞运动转换至风固定坐标系,使得单个翼伞质点模型降维为非线性降阶模型,进而得到多自主翼伞模型,在此基础上提出了一种集结控制算法,利用每个翼伞自身的状态信息和相邻翼伞的状态信息,采用势场法使得多翼伞实现集结并避免碰撞,最后一致地降落至地面。仿真结果表明多个自主翼伞实现了集结,减小了翼伞的着陆散布,降低了翼伞之间的碰撞风险,验证了该方法的有效性,可以为进一步研究多自主翼伞协同控制提供理论参考。     

交会对接视景仿真系统研究

实时视景仿真是交会对接技术仿真研究的一个重要方面和有效策略。本文基于软件平台MultiGenCreator和Vega设计开发了交会对接视景仿真系统。提出了系统的软硬件环境要求,设计了软件系统的框架以及几何和行为模块组成;探讨了利用Vega的可视化图形界面Lynx和应用编程的接口API开发RVD视景仿真的方法,给出了实现对接结构控制和视点漫游等功能的关键技术。     

复杂大时延的多主多从共享遥操作方法

共享遥操作结合了遥操作和多机器人协调技术,是重要的空间机器人复杂任务拓展和遥操作可靠性提升方式。首先,在综述现有共享遥操作技术的基础上,利用遥操作系统的超前预报特性,提出机器人复杂大时延的共享遥操作方法,给出了多操作员多机器人（MM/MS）复杂操作系统描述模型,设计了分时树状分组策略并给出其使用的前提条件。提出了MM/MS组间共享遥操作方法、时延信息维护规则、操作请求判断和状态信息维护方法。然后,给出了相应组内共享遥操作算法。最后,以多操作员单机器人（MM/SS）共享遥操作为例,给出了简化规则,使用以某大型空间机械臂为对象的MM/SS遥操作系统进行了数字仿真实验。实验结果表明：本文方法在20 s级不确定时延、操作端的交互时延与遥操作回路时延比为0~1等复杂条件下,均可实施连续稳定的遥操作。     

低仰角大气折射误差对初轨精度的影响分析

针对在交会对接任务中测量船使用的电波折射经验模型存在低仰角跟踪测量修正精度差的问题提出改进思路,在模型中引入基于天顶延迟的拟合算法优化修正模型,提高了船载雷达低仰角跟踪时距离的修正精度,满足了测量船数据处理的精度需求。用新方法处理数据,计算的轨道根数半长轴外符合误差平均降低了605m,有效提高了测量船定轨精度。     

俯仰轴飞行品质中频域准则的计算与模拟

简要介绍了军用飞机飞行品质MIL—STD—1797A中有关俯仰轴频域难则的要求和原由。提出了对这些难则的理论计算和模拟试验方法。并以某飞机为例，利用所提出的方法，对其飞行品质进行了计算和模拟。结果表明，所提出的计算和模拟方法是合理的。最后，讨论了驾驶员模型形式对俯仰轴飞行品质的影响。     

多轴多回路人机控制系统模型与仿真

针对驾驶员完成飞机机场下滑过程的多轴多回路控制任务,分析了人的控制行为特点,确定出驾驶员的信息反馈,形成了机系统的闭环控制结构,根据驾驶员对各控制回路的注意力分配和人机自适应规律性,选择相应的驾驶员模型形式并确定其参数,建立了多轴多回路的人机控制系统模型,最后,对风切变大气环境下驾驶员控制的飞机进场下滑过程进行了仿真计算,结果表明,所建立的人机控制系统模型是合理的,对飞行品质研究有参考价值。     

Predictive information design for the novel generation of display for the highly-augmented aircraft

We consider the task of predictive information design allowed for improvement of flying qualities in precise tracking tasks, in particular for the landing of an aircraft, the dynamics of which is characterized by the transportation time delay.     

载人登月着陆器奔月窗口搜索方法

对环月轨道共面交会的载人登月任务中,着陆器(LM)奔月零窗口与轨道参数精确快速设计方法进行了研究。任务采用人货分离奔月模式,着陆器于载人飞船到达环月轨道前抵达环月共面交会轨道,着陆器近月点一次共面减速完成近月制动。提出一种三层快速精确奔月窗口搜索方法:第一层采用地心二体轨道理论解析计算月窗口及奔月轨道参数初值,作为正确性基本参考;第二层采用改进的双二体解析动力学模型求解月窗口内奔月轨道参数变化规律;第三层采用高精度轨道动力学模型和SQP_Snopt优化求解奔月零窗口及轨道参数精确解。仿真结果表明,本文提出的三层逐级奔月窗口搜索方法能快速精确求解载人登月任务中着陆器奔月窗口及精确轨道参数,也揭示了影响着陆器奔月窗口的主次因素和规律,为中国未来载人登月工程提供参考。     

The aerospace vehicle control characterizing by considerable time delay

In this paper, we propose to compensate the time delay in the vehicle response by a display that demonstrates the vector of predictive velocity projected on the surface located on a preliminary defined distance from the operator’s eyes. The effectiveness of the approach is demonstrated for the tasks of lunar rover docking and control.     

放宽静稳定电传客机纵向短周期品质评定方法

民用客机强调飞行的安全性和舒适性,由于设计与使用的特点,其短周期模态的自然频率、操纵灵敏度与带宽均较低,时间延迟较大,且一般采用不同于军用运输机的控制律构型。提出以军用规范作为参照的电传客机飞行品质评定及适航审定方法,是现代民用客机飞行控制律设计的关键问题。为改善某放宽静稳定构型客机的短周期飞行品质,设计了迎角、C^*和过载构型飞行控制律。按咨询通告AC25-7A所给出的操纵品质等级评定方法(HQRM),采用等效系统评定法、高阶频域法和高阶时域法评定了闭环飞机的短周期飞行品质及适航符合性。结果表明,军用规范条款对时延和带宽的限制对于客机可适当放宽。对于迎角构型,等效系统参数准则、带宽准则和俯仰速率响应准则均适用;过载构型评定应采用等效系统参数准则、俯仰速率响应准则;C^*属非常规响应构型,应采用带宽准则和俯仰速率响应准则评定。     

Optimization of multiple-impulse minimum-time rendezvous with impulse constraints using a hybrid genetic algorithm

The minimum-time multiple-impulse rendezvous with impulse constraints is investigated in this paper. Based on the Clohessy–Wiltshire (C–W) equations, an optimization model including several different kinds of impulse constraints such as the maximum impulse magnitude, the total velocity change magnitude and the time of imposing impulse for multiple-impulse minimum-time rendezvous is established. A generalized inverse matrix solution for linear equation is applied to avoid handling the terminal equality constraints. In order to obtain the global solution efficiently, a hybrid optimizer combining the advantages of a floating-coded genetic algorithm and simplex method is employed. A low-earth orbit multiple-impulse rendezvous problem is used as an example. The influence of the number of impulses, the optimization variables and the constraints on the solution is analyzed, and the different optimization algorithms are compared. Results indicate our proposed model and approach is effective in designing linearized minimum-time rendezvous trajectory with impulse constraints.     

速度型虚拟夹具辅助空间遥操作技术研究

 天地间通讯存在大时延是影响空间遥操作性能的主要问题。传统虚拟夹具应用于空间遥操作中,已获得一定的操作性能提升,但不具备动态的预测能力,对于克服时延带来的操作错觉等能力的提升有很大限制。本文提出一种速度型虚拟夹具作用于操作末端,利用操作末端的速度信息,实时改变虚拟夹具的形状,对操作末端在3 s时延后的运动进行动态预测。利用方向包围盒(OBB)方法进行图形碰撞检测,能在3 s内检测到即将到来的碰撞,按照一定规则产生相应的阻力反馈给操作者,以克服时延引起的误操作,提高遥操作性能。经过多组目标平台的近距离停靠实验,验证了该方法的有效性。     

中继卫星系统对用户航天器快速测定轨能力分析简

针对快速交会对接方案提出的航天器两圈实现变轨的可行性,使用太阳活动平静期的用户航天器四程测距数据,并结合中继卫星观测模型设计磁暴期航天器仿真测距数据,使用动力学定轨方法进行计算分析,论证了中继卫星系统对用户航天器的快速测定轨能力,解算出的航天器轨道根数精度为快速交会对接机精度分析提供了参考.     

基于任务的硬式加油伸缩管操纵品质研究

操纵品质是评价和设计硬式空中加油伸缩管的重要指标,但目前尚未有系统性的评价伸缩管操纵品质的方法和结论。为了解决现有投入使用的伸缩管型号较少即用于品质研究的样本不足的问题,在对伸缩管本体特性进行分析之后,引入了可以通过改变参考模型参数而获得不同闭环响应特性的控制系统。结合伸缩管的任务特性,设计了在空中加油模拟器上完成的操纵品质试验,并采用主观以及客观两方面的评定手段对具有不同闭环响应特性的评定样本进行了操纵品质评定,从而建立了基于任务的伸缩管操纵品质评定方法。最后,利用低阶等效拟配方法获得了伸缩管的低阶等效参数,通过对多个样本的低阶等效参数与任务评定结果进行统计分析得到了伸缩管俯仰轴和偏航轴的操纵品质等级边界,从而完成伸缩管操纵品质要求的研究。建立的评定方法和操纵品质要求可以作为指导伸缩管设计与评定的理论依据。     

交会对接远程导引轨道控制状态规划与优化算法

对空间交会对接远程导引段轨道控制问题进行了研究。在简单介绍交会对接远程导引轨道控制实时规划模型的基础上,提出了基于近圆偏差方程、序列二次规划算法和目标权重函数等在不同控制目标模式下的状态规划与优化算法。仿真结果表明,该算法收敛速度快,能较好地满足交会对接远程导引段的轨道控制要求,具有一定的工程实用价值。     

Super twisting controller for on-orbit servicing to non-cooperative target

A relative position and attitude coupled controller is proposed for rendezvous and docking between two docking ports located in different spacecraft. It is concerned with servicing to a tumbling non-cooperative target spacecraft in arbitrary orbit subjected to external disturbances.By considering both kinematic and dynamical coupled effects of relative rotation on relative translation, a coupled dynamic model is established to represent the relative motion of docking port on target spacecraft with respect to another on the service spacecraft. The spacecraft control is based on the second order sliding mode algorithm of super twisting(ST). It is schemed to manipulate the relative position and attitude synchronously. A formal proof of the finite time convergence property of the closed-loop system is derived theoretically by the second method of Lyapunov. Numerical simulations with the designed ST controller are presented to validate the analytic analysis by contrast with the twisting control algorithm. Simulation results demonstrate that the proposed relative position and attitude integrated controller is characterized by high precision, strong robustness and high reliability.