交会对接任务两目标协同控制技术研究简

在载人航天工程交会对接任务阶段,北京航天飞行控制中心首次实现了真正意义上的两目标协同控制,完成了协同体系构建、协同模式研究、协同技术攻关、协同方案设计、协同系统研制的完整技术演进过程.本文主要目标是对交会对接任务北京中心的两目标协同控制技术研究成果进行总结,主要涉及在交会对接任务协同控制技术体系构建、两目标关联计划工作模式、两目标注入安排协同设计与实施的经验与不足,通过对协同系统在交会对接任务中的实战应用情况,分析交会对接任务在协同自动化手段方面的成果和后续改进完善方向,为后续空间站任务设计和实现更复杂的多目标协同控制体系积累经验和教训.     

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.     

交会对接任务轨道控制规划设计与实施

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。     

我国中继卫星系统在交会对接任务中的应用

我国中继卫星系统在交会对接任务中得到了成功应用,显著提升了测控通信覆盖率,充分体现了中继卫星系统在交会对接任务测控通信中发挥的重要作用.结合中继卫星系统特点,分析交会对接任务对中继卫星系统的任务需求;探讨了中继卫星捕获跟踪用户目标、对用户目标测定轨、着陆场直升机缝隙通信等关键技术;最后总结了中继卫星系统抗雨衰影响、多目标支持能力、应急支持能力等方面的经验做法,并提出了后续改进和完善的建议.     

交会对接任务天基双目标测控通信设计

针对交会对接任务对测控通信提出的高覆盖率和双目标测控等需求的问题,分析2颗中继卫星能够提供的覆盖率,设计双目标测控工作模式以及天地协同机制,计算中继链路的性能,分析表明,天基测控可提供约72%的测控覆盖率,能够支持双目标测控,链路余量满足要求;统计了任务中关键段落的测控通信工作情况,分析结果和实际任务情况验证了天基测控在交会对接任务测控通信中的重要作用;最后提出后续任务改进和完善的建议。     

空间交会对接多体制接收机设计与实现

空间交会对接时,空空通信系统需在两个航天器之间建立双向通信链路,完成两者间的信息交换。在载人航天交会对接任务中,空空通信系统担负交会对接段以及撤离段航天器间的双向链路数据传输任务。针对不同的任务模式、分析不同信号的解调模型和算法特点,基于软件无线电技术确定本系统的全数字化解调算法和硬件平台设计方案,实现过程运用复用/优化设计思路,节省了逻辑资源、降低了算法复杂度。对关键指标的测试表明,该设计可满足空空通信系统的指标需求。     

交会对接任务故障与应急仿真系统设计与实现

为了模拟交会对接任务多目标情况下的航天测控故障与应急过程,建立系统级的故障仿真和综合性的应急处置效能评估环境,采用分布式、支持互操作的高层体系结构,研究了故障SPR柔性描述技术,设计了基于脚本引擎驱动的故障协同演练控制方法,实现了故障建模、存储、提取和组装全过程的规范化,实现了故障的操作控制、效果监视和处置评估的一体化。解决了我国重大空间工程地面故障仿真、应急过程演练和人员训练的技术难题,经受了3次交会对接任务的重大工程应用考验。     

交会对接任务故障与应急仿真系统设计与实现简

为了模拟交会对接任务多目标情况下的航天测控故障与应急过程,建立系统级的故障仿真和综合性的应急处置效能评估环境,采用分布式、支持互操作的高层体系结构,研究了故障SPR柔性描述技术,设计了基于脚本引擎驱动的故障协同演练控制方法,实现了故障建模、存储、提取和组装全过程的规范化,实现了故障的操作控制、效果监视和处置评估的一体化.解决了我国重大空间工程地面故障仿真、应急过程演练和人员训练的技术难题,经受了3次交会对接任务的重大工程应用考验.     

空间交会对接多体制接收机设计与实现简

空间交会对接时,空空通信系统需在两个航天器之间建立双向通信链路,完成两者间的信息交换.在载人航天交会对接任务中,空空通信系统担负交会对接段以及撤离段航天器间的双向链路数据传输任务.针对不同的任务模式、分析不同信号的解调模型和算法特点,基于软件无线电技术确定本系统的全数字化解调算法和硬件平台设计方案,实现过程运用复用/优化设计思路,节省了逻辑资源、降低了算法复杂度.对关键指标的测试表明,该设计可满足空空通信系统的指标需求.     

交会对接成像敏感器成像参数设计

基于交会对接成像敏感器在轨成像目标相对距离变化较大的特性,分析了敏感器嵌入式软件对曝光积分时间、激光发光功率等各项成像参数配置的方法。针对有先验数据、无先验数据初始捕获、跟踪模式等三个不同的工作模式特性与模式切换逻辑,设计了一种初始捕获参数试配方法,并将其与跟踪模式下的最优化参数实时计算相结合,形成了完整的交会对接成像敏感器成像参数设计方案,并进行了仿真测试,结果表明该方法能够有效确保在轨实时图像清晰度满足位姿测算要求,可为交会对接末段制导相对位姿测算提供保障。该方法拟应用于我国后续交会对接任务中。     

货运飞船遥操作交会对接仿真试验系统初步设计与仿真分析

以无人货运飞船与空间站交会对接为背景,设计并构建了一套货运飞船遥操作交会对接仿真系统,用于模拟空间站内航天员遥操作货运飞船进行交会对接,重点是各种时延条件下的仿真试验及评估分析.试验结果表明:在所设定的时延范围内,燃料消耗和任务用时受到时延大小的影响,而对接成功率和安全率则不受影响,即在TV图像和测量数据等辅助下,可完成航天员遥操作货运飞船与空间站的交会对接任务.     

翻滚非合作目标逼近与跟踪的轨道和姿态控制

面向近距离逼近与捕获翻滚非合作目标的在轨服务空间清理任务需求,研究了航天器非合作式交会对接的轨道和姿态控制问题。在控制输入受限约束下,考虑存在参数不确定性和外部扰动的情况,结合滑模控制和自适应控制技术,分别进行鲁棒自适应位置和姿态控制器设计。利用自适应控制估计参数不确定性、未知干扰上界以及滑模控制反馈系数矩阵,提高了系统的鲁棒性。通过李雅普诺夫理论证明了系统在控制器作用下全局一致最终有界稳定。仿真结果验证了控制器的有效性,能够有效解决与高速旋转非合作目标的稳定相对位姿关系建立的难题。     

交会对接期间空间环境参数使用策略初探

交会对接前,飞船需要进行6次变轨来调整其与目标飞行器的位置,此过程为远距离导引段。在此期间,飞船测控弧段比较短,限制了使用空间环境参数解算大气阻力系数Cd值的精确性。为此制定的新策略采用两目标协同辨识空间环境参数定轨的方法,以追踪飞行器为基准,两个目标采用相同的定轨弧段和空间环境参数,发现分析结果与神舟八号、神舟九号在任务中计算的远距离导引相对精度相比提高了1个量级;并将该方法应用于神舟十号交会对接任务中,结果表明该策略是正确可行的。     

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。     

多航天器交会下天地通信工作模式探讨

针对中国空间站工程航天器交会对接任务中,地面与多航天器同时进行天地话音和图像通信的潜在需求,分析TDRSS（TrackingandDataRelaySatelliteSystem,跟踪与数据中继卫星系统）、USB（UnifiedSBand,统一S频段）测控通信系统及天地通信中心系统支持多目标同时通信的技术原理,提出天地通信系统在双目标、三目标同时跟踪时的工作模式,介绍天地通信系统仿真验证体系,并重点阐述天地通信中心如何采用环回和回放数据文件的仿真方法验证系统对多目标的支持,由此表明天地通信系统具备同时与多航天器进行通信的能力。探讨的结果对工程和实际应用具有参考和借鉴价值。     

交会对接平移靠拢段手控策略设计

以载人飞船与目标飞行器进行交会对接为背景,探讨了平移靠拢段的手动控制策略。载人飞船作为追踪飞行器,姿态控制采用自动控制的方式,而平移控制则以控制效能指标为依据,结合飞船轨道运动特性,采用手动控制的方式操纵飞船与目标飞行器对接,以此给出了轨道面内和垂直于轨道面方向的控制策略。仿真结果表明,使用平移手动控制策略,对接精度高、时间短、燃料消耗量少,可完成交会对接任务。     

飞机大部件自动对接集成控制技术研究

自动化对接集成控制技术集测量技术、协同运动控制技术、装配信息集成管理技术、运动仿真技术为一体,是大部件自动对接的关键技术。对飞机大部件自动对接集成控制的关键技术进行探讨,并介绍机翼大部件数字化对接系统的组成结构、功能、处理流程等。     

有人机/无人机协同任务控制系统

针对有人机/无人机协同任务控制系统的设计和实现问题展开研究。结合有人机/无人机协同控制过程的特点,提出了基于自然语言接口方式的有人机/无人机协同任务控制系统结构。在此基础上,分析了系统模块的关键内容,设计了面向有人机与无人机交互过程的任务指令格式,提出了基于优先级的任务模式调度策略,针对无人机的典型任务模式,讨论了航路规划的计算方法选择,最后构建了有人机/无人机协同任务仿真环境。仿真试验结果验证了整体方法的可行性。     

交会对接任务碰撞规避策略制定研究

针对交会对接任务目标飞行器与追踪器轨道运行特性,综合考虑规避策略计算方法与工程实际相结合的问题,提出高度规避、时间规避以及与正常轨控相结合的碰撞规避策略计算方法等三种空间目标碰撞规避策略计算方法。高度规避计算方法采用了Lambert飞行原理,用简化二体开普勒模型取代高精度轨道预报方法,迭代求解规避机动速度增量,实现了通过约束过交点与目标径向距离差得到速度增量的最优解;时间规避计算方法通过轨道周期与速度增量的关系,实现了通过约束过交点与目标的时间差得到速度增量的最优解;与正常轨控相结合的碰撞规避策略计算方法,在正常控制考虑冗余控制量的基础上,对控制策略的控制开始时间或沿迹方向的速度增量进行较小的修正,使两者通过碰撞点的时刻或径向距离错开,达到碰撞规避的目的,该方法不仅可以节省燃料、而且对任务的影响较小。通过对三种空间目标碰撞规避策略计算方法仿真分析结果表明,完全适用于交会对接任务,可为我国载人航天任务飞行安全提供技术保障。     

交会对接任务碰撞规避策略制定研究简

针对交会对接任务目标飞行器与追踪器轨道运行特性,综合考虑规避策略计算方法与工程实际相结合的问题,提出高度规避、时间规避以及与正常轨控相结合的碰撞规避策略计算方法等三种空间目标碰撞规避策略计算方法.高度规避计算方法采用了Lambert飞行原理,用简化二体开普勒模型取代高精度轨道预报方法,迭代求解规避机动速度增量,实现了通过约束过交点与目标径向距离差得到速度增量的最优解;时间规避计算方法通过轨道周期与速度增量的关系,实现了通过约束过交点与目标的时间差得到速度增量的最优解;与正常轨控相结合的碰撞规避策略计算方法,在正常控制考虑冗余控制量的基础上,对控制策略的控制开始时间或沿迹方向的速度增量进行较小的修正,使两者通过碰撞点的时刻或径向距离错开,达到碰撞规避的目的,该方法不仅可以节省燃料、而且对任务的影响较小.通过对三种空间目标碰撞规避策略计算方法仿真分析结果表明,完全适用于交会对接任务,可为我国载人航天任务飞行安全提供技术保障.