空间飞行器智能自主控制技术现状与发展思考

提升空间飞行器的自主水平一直是航天领域的发展重点,新一代人工智能技术的巨大进步为其提供了新的机遇.本文对国内外空间飞行器智能自主控制技术的发展现状进行分析和总结,结合未来空间任务的发展需求,阐述空间飞行器智能自主控制的新特征,提出新的感知 决策 操控星上闭环结构,从智能自主角度剖析感知、决策、操控和健康管理的能力要素,并根据系统对地面的依赖程度和处理复杂任务的智能水平,提出空间智能自主控制的分级方法.针对发展空间智能自主控制技术所面临的挑战,从感知与认知、决策与规划、学习与操控、健康管理和系统体系架构五个方面给出发展建议.     

飞行器自适应ESO姿态控制器设计

飞行器无动力再入过程中,姿态受到气动及不确定干扰影响,控制模型具有强耦合、大范围参数摄动等非线性特征。针对再入飞行器姿态控制问题,结合扩张状态观测器（Extended State Observer,ESO）和自适应控制律,基于奇异摄动理论将非线性姿态控制模型分为快慢两回路,分别设计了飞行器内环和外环自适应姿态控制器,并通过 Lyapunov 稳定性理论证明控制器的稳定性。仿真结果表明,控制系统在强干扰及参数大范围摄动的情况下,具有较强的鲁棒性,能够获取良好的动态品质和跟踪性能。     

基于遗传算法的高速飞行器模糊控制律设计

以吸气式高超声速飞行器X-43A的纵向通道为控制对象,针对其6自由度非线性模型设计了飞行控制系统.飞行控制系统包括2个回路,制导回路采用PD控制器,控制回路应用模糊控制器.制导回路负责跟踪轨迹,控制回路执行制导指令.基于遗传算法实现了PD反馈参数和模糊控制规则的自动优化,无需先验知识和训练数据.在控制飞行器轨迹、姿态和推力时,综合考虑非线性动态特性、不确定性和约束.仿真表明,该方法可以同时满足飞行控制系统鲁棒性和优化过程收敛性的要求.      

基于解析解的小范围高频率机动飞行器制导律设计

针对机动飞行器的小范围高频率侧向机动飞行问题,结合飞行器的运动学和动力学方程,通过解析方法给出了机动幅值和飞行器最大可用过载下的最大机动频率,同时利用粒子群优化方法进行了制导律最优频率的优化。基于解析规划算法给出了正弦机动制导律的解析形式以实现飞行器在侧向方向的机动导引飞行。仿真结果表明：解析算法能够精确得出制导律频率,而粒子群优化方法的精度也能很好的满足要求,误差在5%以内。正弦机动制导律在大速度下可以较好的完成任务目标;在小速度下,幅值误差会有小幅度的增加。     

基于数据驱动的弹性高超声速飞行器控制方法

高超声速飞行器存在气动非线性强、复杂振动干扰等特点,参数不确定性大条件下传统依赖于精确模型的控制方法品质下降明显,需要进一步提高控制系统在线适应能力。本文针对弹性高超声速飞行器过载跟踪性能在线优化和弹性振动影响下的控制参数优化问题,提出了一种基于数据驱动的自学习控制方法,首先将高超声速飞行器输出反馈控制问题转化为状态反馈形式,采用鲁棒自适应动态规划算法设计了适用于过载跟踪问题的无模型控制参数在线优化方法,然后针对飞行器复杂弹性振动干扰的问题,提出了基于陷波滤波器的自适应动态规划控制方法,从而保证了振动影响下的控制参数在线优化效果。仿真结果表明,在不依赖于准确模型参数的条件下,本文所提的方法能够有效实现弹性振动干扰下的控制参数在线优化,并提高过载跟踪控制品质。     

空间飞行器大角度姿态机动优化控制

提出一种基于平方和优化的空间飞行器大角度姿态机动最优保性能控制方法.采用修正Rodrigues参数描述卫星的姿态运动,并将飞行器姿态运动方程转化为线性参数可变(LPV)系统.在分析系统性能指标的基础上,运用Lyapunov方法和平方与优化技术,推导出状态反馈保性能控制器存在的充分条件,并将飞行器大角度姿态机动最优保性能控制器设计问题转化为一个具有平方和约束的参数优化问题.对某卫星大角度姿态机动控制的仿真结果表明了所述方法的有效性.     

非线性空间飞行器系统的解耦滑模控制

提出了非线性空间飞行器系统采用滑动模态控制方法,它对强非线性的空间飞行器系统通道间交叉影响进行解耦. 在大的参数变化和外干扰下,解耦空间飞行器具有优良的鲁棒性.它的姿态稳定和机动飞行控制的数字仿真支持了本文结果的有效性.     

用于卫星姿态机动控制的一种自适应模糊控制器

卫星的姿态机动控制要求机动快速和较强鲁棒性.纯模糊控制器响应快、鲁棒性好,能够方便地应用人的智能,但是模糊规则库的构建需要预先获取足够的语言信息.从Lyapunov函数出发设计了一个稳定的直接型自适应模糊姿态机动控制系统,控制器能够在初始语言信息很少的条件下通过自适应律调整语言信息参数而得到合适的模糊规则,使控制器具有更强的适应能力.数学仿真比较了在完全没有语言信息和有一条语言信息的情况下控制系统的表现,表明仅有一条语言信息时控制系统性能就能够显示得十分出色.最后,仿真结果证实了自适应模糊控制器良好的鲁棒性.      

飞行器航迹倾角的自适应动态面控制

针对飞行器纵向模型具有参数不确定性和外界干扰的特点,提出一种飞行器航迹倾角的自适应动态面控制方法.动态面控制方法通过引入一阶低通滤波器避免了传统反演设计存在的"微分爆炸"现象,采用自适应律对模型未知参数进行在线估计,并利用非线性阻尼项克服外界干扰.通过Lyapunov方法证明得出闭环系统半全局一致稳定,跟踪误差可通过调节控制器参数达到任意小.仿真结果表明:该方法能在简化控制设计过程的同时保证航迹倾角跟踪上预定轨迹,控制系统具有较强的自适应能力且对外界干扰具有一定的鲁棒性.     

近距空战训练中的智能虚拟对手决策与导引方法

针对近距空战训练中智能虚拟对手攻防博弈的自主决策与占位导引问题，提出了基于动态贝叶斯网络(DBN)和约束梯度法的智能虚拟对手决策和导引一体化方法。结合空间占位态势、火控攻击区和机动动作识别结果等信息，建立近距空战决策动态贝叶斯网络模型，实现根据战场动态环境变化的占位导引指标决策。针对在线识别的各类目标机动动作，建立轨迹预测模型，实现目标轨迹的实时预测。根据占位导引指标和目标预测轨迹，考虑飞行性能约束，采用约束梯度法计算智能虚拟对手的优化占位导引量。实现了近距空战智能虚拟对手空间占位决策与导引量计算的无缝结合。近距空战仿真实验结果表明:所提方法能够实现智能虚拟对手的合理化自主决策和占位导引，克服了传统方法实现机动动作方式固化的问题，具备较好的实时性和优化性。      

基于模型化配置的星务自主控制软件设计与应用

卫星互联网正成为一种空间基础设施展开建设，大规模卫星发射的需求与地面运控管理任务指数型增长之间的矛盾日益突出，特别是对于低轨长期处于测控不可见弧段运行，其自主生存需求更为急迫，而星务自主控制功能是实现自主运行和生存的重要组成.本文通过参数装订、逻辑子层和数据交互模块的架构设计，提出一种基于模型化配置的自主管理软件系统框架，并针对核心逻辑子层，建立遥控主动模型、遥测主动模型以及数据融合交互控制模型，实现星务自主管理软件的快速研制，解决自主运行功能常会随设计深入和试验验证不断功能扩展的问题，提高星务自主控制软件的灵活性.通过卫星故障检测和恢复(FDIR)自主管理功能的设计进行了验证.结果表明该软件系统设计框架能够满足星务自主控制功能设计，具备可扩展能力，为进一步提升卫星的智能化水平奠定基础.     

应急任务响应时间最优的多星成像规划方法

针对优化多星应急成像任务规划的响应时间问题进行了研究。为避免优先规划应急任务对任务总收益的影响，提出一种优化应急任务响应时间的同时兼顾任务总收益的多星成像规划方法。首先，针对综合考虑应急任务和常规任务的多星成像规划特点，建立两级目标优化的约束满足模型；其次，将模型求解过程分解为任务时间窗选择和单轨动态规划两个部分，基于自适应免疫算法对时间窗选择进行优化，同时设计前向动态规划算法确定卫星单轨最优观测路径；最后，对所设计算法的性能进行了测试，并与其他算法进行了对比。仿真结果表明本文方法能够保证应急任务响应时间最优，并同时具备较高的任务总收益，适合于求解大规模的多星成像规划问题。     

深空天文自主导航技术发展综述

航天器地面无线电导航在深空中面临着信息传输时延长、数据传输率低、天体遮挡等问题，难以满足未来深空探测的导航需求。天文自主导航技术利用天文信息为航天器提供导航支持，可有效提高其在深空中的生存能力及任务执行能力，已成为深空导航领域的研究热点。结合国内外深空探测任务及其实际工程需求，首先概述了深空天文自主导航技术发展的现状和特点，进而总结了深空天文自主导航的发展趋势和重点研究内容，最后对深空天文自主导航技术的发展提出了若干建议。     

基于非开普勒轨道的高超声速临近空间飞行器自主天文导航研究

针对航天器自主导航方法不适合高超声速临近空间飞行器的问题, 研究了基于非开普勒轨道的高超声速临近空间飞行器自主天文导航方案. 论述了基于非开普勒轨道的自主天文导航机理, 通过对高超声速临近空间飞行器受力分析, 建立了动力学方程; 利用矢量倒数法则推导出空间运动方程; 设计了基于非开普勒轨道的状态模型和基于星光折射间接敏感地平的观测模型, 采用卡尔曼滤波进行了仿真验证. 仿真结果表明, 基于非开普勒轨道的高超声速临近空间飞行器自主天文导航可达到较高的位置和速度精度.      

基于多目标优化与强化学习的空战机动决策

为了解决无人机自主空战中的机动决策问题,提出了一种将优化思想与机器学习相结合的机动决策模型。采用多目标优化方法作为决策模型核心,既解决了传统优化方法需要为多个优化目标设置权重的困难,又提高了决策模型的可拓展性;同时在多目标优化的基础上通过强化学习方法训练评价网络进行辅助决策,解决了决策模型在对抗时博弈性不足的缺点。为了测试决策模型的性能,以近距空战为背景,设计了3组仿真实验分别验证多目标优化方法的可行性、辅助决策网络的有效性以及决策模型的总体性能,仿真结果表明,决策模型可以对有机动的敌机进行有效的实时机动对抗。      

基于数据表的载荷管理软件在轨工作自主控制设计

目前有效载荷在轨工作呈现多样化的趋势,为更好地适应这种多样化的任务,设计了一种在轨工作自主控制方案。该方案对多个型号的软件需求进行归纳整理和统筹分析,对在轨工作自主控制进行模块和功能划分,解决了多个载荷管理软件在轨工作控制需求差异化带来的多样化、定制化问题。通过引入可配置设计思路,建立数据表对载荷工作流程进行配置,解决了对特定载荷在轨工作流程的适配性问题,可实现多载荷多任务的在轨工作自主控制功能。该方法已在多个型号卫星的载荷管理器上使用,满足载荷单元工作流程多样化的要求。软件的重复使用不仅大大提高了软件设计和测试阶段的时间,缩短软件研制周期,还可以降低软件开发成本,并且提高软件整个研制阶段的可靠性。      

实时嵌入式软件测试执行引擎的设计与实现

自动化的实时嵌入式软件测试中,测试描述执行系统的设计与实现是需要解决的关键问题之一.基于面向对象的思想,设计和实现了实时嵌入式软件测试描述语言的执行引擎.介绍了测试描述驱动的实时嵌入式软件自动化测试过程,并在此基础上提出了测试描述执行引擎的总体设计方案,阐述了编译过程和执行过程的实现方法,给出了符号表管理中哈希函数及其冲突的解决方法和基于SBRMS(Segment-Based Rate Monotonic Scheduling)调度策略的测试描述执行过程.对引擎的执行效率进行了评估和分析,结果表明,通过合理控制测试描述的规模和并发执行个数,测试描述执行引擎能够满足实时嵌入式软件自动化测试对实时、并发特性的要求,并具有良好的可移植性.     

9基于聚类分析的软件多故障定位技术

故障定位的思想一般是通过对程序语句及其执行结果的分析，从而定位到存在缺陷的程序语句的位置.目前，软件单故障定位技术研究较多，多故障相关研究较少.本文根据程序语句覆盖执行信息构造程序谱，提出基于聚类分析的软件多故障定位技术方法，在Siemens测试程序集的基础上，和现有的一些基于程序谱的定位方法进行对比，在大部分的情形下，验证了本文提出的基于聚类分析的软件多故障定位技术在软件多故障定位方面的定位效率要优于这些方法，减少测试人员的工作开销.