编队飞行自主控制的自适应方法

自主的高精度相对控制是实现卫星编队任务的关键技术,自主性要求控制器尽可能只利用星载设备所能提供的测量信息以减少星间通信量,高精度要求控制器连续的消除干扰力、期望轨迹推演以及参考星轨道控制与机动所造成的跟踪误差,为此,本文推导了描述星间相对运动的完整动力学模型以及对期望轨迹的跟踪误差模型,基于Lyapunov方法设计了自适应控制器,并证明了此控制器可以保证闭环系统的最终跟踪误差小于指定的界。本文给出的控制器仅需要星间的相对位置和相对速度测量,不需要主星的轨道参数、轨道位置和轨道机动信息,从而具有较高的自主性。仿真结果表明本文给出的控制器可以完成对期望轨迹的跟踪。     

混合空间目标下的多航天器抵近观测任务规划

研究了服务航天器对多个空间目标的抵近观测任务规划问题,并考虑了高价值航天器、普通航天器以及失效航天器或空间碎片3类待观测目标。通过构建合理的评价体系,对目标观测的任务方案进行评分。建立了综合观测目标数量、观测目标类型、燃料消耗、单次点火速度增量以及任务时长的多约束优化模型,涉及的优化变量包括目标分配向量、观测次序向量以及观测时刻向量。服务航天器通过一种四脉冲机动策略抵近每个目标。采用进化算法求解规划问题,并提出一种基于动态规划（DP）的局部搜索策略以优化观测时刻,提升优化效率。最后分别给出了针对单一类型和混合类型空间目标的抵近观测任务规划算例,通过与传统进化算法的求解结果对比,说明了所提出的DP搜索策略的优势。     

一种立方星编队重构多脉冲机动规划方法

针对立方星轨道机动能力约束,提出一种基于相对轨道根数动力学模型的多脉冲机动规划算法。对于相对轨道面内各分量之间的控制耦合问题,基于“先控制相对形状、后修正迹向距离”的策略,提出了满足速度增量约束的多脉冲机动规划算法;分析了近地轨道 J 2 摄动和大气阻力摄动对相对轨道的影响,并基于线性化的状态转移模型提出了迭代优化策略,以降低立方星在摄动影响下的轨道机动误差。仿真结果表明,所提出的多脉冲机动规划算法在不同任务条件下均可获得有效的机动规划,迭代优化策略可有效地提高终点位置的精度,在基于高精度轨道递推搭建的任务仿真中也验证了算法的有效性,可用于立方星编队构建和重构任务。     

考虑机动系数的标准轨迹再入制导方法

针对再入过程中标准轨迹的实际长度需要通过多次更新或迭代求解的问题，提出了一种基于机动系数的通用再入轨迹设计方法。该方法将机动系数定义为真实轨迹长度与初始纵程之比，将再入过程中的机动性进行了量化，可以快速获得到达指定目标可行的轨迹长度；采用真实轨迹长度作为设计参考阻力加速度剖面的依据，避免了轨迹长度的迭代，简化了再入轨迹的生成流程；轨迹曲率问题采用动态航向偏差走廊的方法，控制终端航向偏差、剩余航程满足设计需求。设计轨迹跟踪控制器进行参考轨迹跟踪，完成再入制导。在机动系数区间内指定机动系数进行了数值仿真。仿真结果表明，所提出的标准轨迹制导方法能够快速生成满足路径及终端约束的标准轨迹，且轨迹跟踪效果良好，有较好的应用潜力。     

基于避障伪距离的自由漂浮空间机器人规划跟踪一体化控制

针对自由漂浮空间机器人(Free Floating Space Robot,FFSR)的避障规划与控制问题，提出一种FFSR的避障规划-跟踪一体化控制方法。首先，基于障碍物伪距离技术，采用FFSR逆几何模型求解期望末端位姿下的连杆伪距离估计值，进而通过求解非线性优化问题，获得FFSR避障期望轨迹。其次，将全局轨迹规划与局部在线避障相结合，辅以离散状态黎卡提方程（DSDRE）控制方法实现FFSR的避障规划-跟踪一体化控制。最后，采用6R空间机器人模型验证了所提方法的有效性。仿真结果表明，该方法能够实现FFSR的避障控制，有效克服了传统FFSR控制中末端轨迹规划与控制相分离的问题，提高了FFSR的环境适应性。     

冗余空间机械臂抓捕自旋卫星后的消旋控制

旨在提出一种运动学冗余空间机器人抓捕自旋卫星后的消旋策略和协调控制方法。首先，给出运动学冗余空间机器人捕获目标后的动力学模型，作为协调控制器设计基础。然后，基于四阶Bézier曲线和满足特定约束的自适应微分进化(Differential Evolution, DE)算法提出抓捕后的最优消旋与路径规划策略，最优消旋策略中同时考虑对消旋时间和控制力矩进行优化。提出一种跟踪所设计参考轨迹的协调控制方法，调整基座的姿态达到期望值。所提方法有效地衰减了自旋卫星的初始角速度，同时实现对基座姿态的控制。文末给出利用7 DOF冗余空间机械臂消除目标自旋运动的仿真结果，表明所提方法的有效性。     

基于T-H方程的卫星轨迹模型参考输出跟踪控制方法

当目标卫星沿椭圆轨道运行时,描述追踪星与目标星相对运动的线性化方程为T-H方程。将描述航天器相对运动的T-H方程变换为周期系统的状态空间形式,并给出卫星轨迹跟踪控制问题的数学描述。基于周期系统的参量Lyapunov方法和模型参考跟踪控制理论,提出了卫星轨迹跟踪控制器的设计方法。利用该方法设计了带有收敛速率保障的反馈镇定控制器和具有自由参数的前馈控制器。对追踪星相对目标星悬停任务进行了数值仿真,仿真结果表明提出的控制方案是有效的。     

柔性航天器姿态机动轨迹设计及跟踪控制

针对柔性航天器姿态机动的“快速性”及“稳定性”矛盾，研究了一种优化与控制综合的姿态机动轨迹设计与跟踪控制方法。首先，考虑柔性航天器姿态机动过程中既快又稳的需求，建立姿态机动的多目标多约束条件，优化获得姿态机动轨迹，在满足快速性基础上，最大限度提高稳定性；其次，设计新型的快速鲁棒输入成形器(FRIS)，与传统输入成形器相比，FRIS具有更短的作用时间及更强的鲁棒性，能够有效抑制柔性附件振动，为姿态机动的“快速性”及“高精度”奠定基础；最后，设计新型自适应连续终端滑模控制器(ACTSMC)，避免增益过估计，提高控制精度，实现对期望姿态轨迹的有限时间快速高精度跟踪控制。数值仿真校验了所提方法的有效性。     

微纳卫星与非合作翻滚目标对接的模型预测控制

针对多约束下微纳卫星与非合作翻滚目标对接过程中的位置跟踪与姿态同步问题，设计了基于模型预测控制(MPC)的对接控制器。首先，考虑动力学耦合问题，建立了六自由度姿轨耦合相对动力学模型。然后，充分考虑了可能存在的实际工程约束，包括输入饱和约束、移动过程中的速度约束、追踪星光学设备视场约束、安全接近走廊约束等，设计了基于MPC的对接控制器，确保精确完成对接操作的同时尽量减少推进剂消耗以获得最优接近轨迹。最后，仿真结果说明了本文所提出控制策略的有效性和鲁棒性，所设计控制器可以在满足多种约束的基础上，实现微纳卫星对非合作翻滚目标的对接，并对干扰具有鲁棒性。     

自由漂浮空间机器人末端轨迹优化跟踪控制

针对自由漂浮空间机器人(FFSR)末端轨迹跟踪优化控制中惯性参数不确定的问题,基于状态依赖Riccati方程（SDRE）,提出一种采用标称SDRE控制器与补偿SDRE控制器相结合的组合优化控制器,通过SDRE基本理论及李雅普诺夫方法证明了控制方法能够实现系统跟踪的能量优化和渐近稳定,实现了FFSR在广义雅克比矩阵非奇异条件下的末端轨迹优化跟踪控制。数值仿真表明,控制器能够实现对于期望末端轨迹的有效跟踪。     

旋转失效卫星的运动观测及消旋接触方案设计

以旋转失效卫星的消旋为研究背景,提出一种双重光流约束的特征点运动跟踪识别方法。该方法利用双目视觉,可实现对非合作旋转失效卫星的运动观测,并为机械臂消旋操作提供接触方案。首先,跟踪识别序列图像中稳定存在的特征点并记录其轨迹,采用频域分析的方法检测特征点轨迹的变化频率,从而获取目标旋转角速度,通过地面物理实验,验证所提目标运动观测的有效性;随后,利用特征点轨迹分析目标的运动包络与适宜接触区域,并根据目标运动特性和接触消旋的时间约束,给出完成消旋的接触强度约束,继而得到机械臂的操作性能需求,为接触式消旋的工程实践提供参考。     

Conditions of the Maximum Principle in the Problem of Optimal Control over an Aggregate of Dynamic Systems and Their Application to Solution of the Problems of Optimal Control of Spacecraft Motion

The necessary first-order conditions of strong local optimality (conditions of maximum principle) are considered for the problems of optimal control over a set of dynamic systems. To derive them a method is suggested based on the Lagrange principle of removing constraints in the problems on a conditional extremum in a functional space. An algorithm of conversion from the problem of optimal control of an aggregate of dynamic systems to a multipoint boundary value problem is suggested for a set of systems of ordinary differential equations with the complete set of conditions necessary for its solution. An example of application of the methods and algorithm proposed is considered: the solution of the problem of constructing the trajectories of a spacecraft flight at a constant altitude above a preset area (or above a preset point) of a planet's surface in a vacuum (for a planet with atmosphere beyond the atmosphere). The spacecraft is launched from a certain circular orbit of a planet's satellite. This orbit is to be determined (optimized). Then the satellite is injected to the desired trajectory segment (or desired point) of a flyby above the planet's surface at a specified altitude. After the flyby the satellite is returned to the initial circular orbit. A method is proposed of correct accounting for constraints imposed on overload (mixed restrictions of inequality type) and on the distance from the planet center: extended (nonpointlike) intermediate (phase) restrictions of the equality type.     

视觉导引受限下空间绳系机器人最优逼近控制

针对空间绳系机器人对目标逼近过程中单目视觉视线角约束和导航信息不全问题，首先建立空间绳系机器人系统动力学模型。然后考虑抓捕器视线角约束，采用高斯伪谱法对空间绳系机器人逼近任务姿轨轨迹进行一体规划。同时设计无需相对目标距离的闭环控制器实现对空间绳系机器人最优姿轨轨迹进行跟踪控制。仿真结果表明，该方案能够克服视觉导引受限的影响，实现空间绳系机器人对位姿最优轨迹的精确跟踪。     

再入制导和弹道跟踪误差分析

新一代可重复使用运载器对再入制导提出了更高地要求。目前的空间运输系统证明基于阻力加速度的制导方法是行之有效的。其基本概念是跟踪基准阻力加速度包线，在飞行过程中可根据需要更新这个包线。跟踪适当的阻力加速度包线保证了飞行器可以飞行准确的距离达到目标，同时满足弹道约束。在横向上，我们可采用类似于美国航天飞机的倾斜反转逻辑或航向角跟踪技术。本文推导出了基于反馈线性化的控制算法，并将其应用于可重复使用运载器纵向和横向的制导。最后，我们分析了阻力加速度跟踪的误差。     

基于序列二次规划算法的再入轨迹优化研究

介绍了序列二次规划算法在飞行器再入轨迹优化问题中的应用.首先引入了能量替代变量对无量纲运动方程进行推导,使得运动方程和优化问题易于处理,考虑严格的过程约束和终端约束,以攻角和倾侧角为控制变量,总加热量最小为性能指标;然后通过直接配点法将最优控制问题转化为非线性规划问题,选取各节点的状态量和控制量作为优化参数;最后应用序列二次规划算法对非线性规划问题进行求解.针对多约束的再入飞行器的轨迹优化时对初值敏感的问题,提出一种参考轨迹快速规划算法,提高了优化速度.仿真结果表明提出的方法能够较快地搜索到最优轨迹,满足所有约束且落点精度高.     

线偏差控制的螺旋机动突防与导引一体化设计

导弹机动突防弹道设计与末制导修正能力密切相关,在可用过载与终端角度约束下,提出一种基于线偏差控制的机动突防与导引一体化设计方法。首先,建立了机动突防与导引一体化设计模型;其次,设计了可用过载与终端角度约束的虚拟导引弹道制导律;再次,提出了一种运动过载约束的螺旋机动线偏差指令信号,并设计了相对机动弹道制导律。基于指令滤波和扩张状态观测器分别解决输入受限和干扰估计问题,并基于Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统稳定性。不同过载约束下的突防仿真结果表明,所设计的一体化方法能兼顾机动突防与精确打击需求,典型场景下对PAC 3拦截弹的单发突防成功率达到96.2%。     

基于序列凸优化的高超声速滑翔式再入轨迹快速优化

针对具有热流、动压、过载以及多个禁飞区约束的再入轨迹优化问题,提出采用序列凸优化方法快速求解。利用归一化时间作为自变量解决终端时间自由问题,并引入辅助控制变量以减少序列优化结果中的高频振荡,在此基础上,通过线性化、离散化和非凸约束的凸化处理,将非凸非线性优化问题转化为二阶锥规划(Second Order Conic Programming,SOCP)问题,然后采用凸优化求解算法快速求解。数值优化结果与对比验证表明该方法能快速高效求解多约束条件下的再入轨迹优化问题,且计算效率和性能均优于传统的非线性规划方法。     

一种新型火星定点着陆轨迹快速优化方法

针对火星定点着陆任务大气进入段的轨迹规划问题,给出了一种基于hp Radau伪谱法的快速优化算法。综合考虑大气进入段的动力学约束、边值约束、以及着陆器的机动能力约束和安全性约束,结合hp Radau伪谱法的配点特性,将轨迹优化问题转换成一个大规模多约束参数优化问题,给出了大气进入段轨迹优化问题的求解框架;为了提高算法的计算效率,给出了参数优化过程中雅克比矩阵的解析表达式;并通过数学仿真对本文算法进行了数值验证,结果表明：