平流层卫星轨道控制系统研究

近年来,各国都在开展研究各类平流层飞行器。平流层卫星是一种新型低成本、低能 耗平流层飞行器,采用气动帆实现轨迹控制,在距离地面35Km高度沿东西方向环绕地球运动 。首先分析了平流层卫星运行的风场环境,给出了平流层卫星的组成以及轨迹控制原理 ,建立了球体运动学模型和气动帆运动学模型,并进行了不同风场条件下的仿真计算。仿真 结果表明：采用气动帆作为轨迹控制系统能够在风场突变干扰下实现平流层卫星南北方向的 稳定控制,确保其沿东西方向轨道运动。     

反步法与神经网络融合的平流层飞艇轨迹鲁棒控制方法

针对平流层飞艇水平轨迹控制面临外部风场扰动和模型参数不确定的特点,提出一种反步法与RBF神经网络融合的非线性鲁棒轨迹控制方法。该方法采用Lagrange动力学模型,通过反步法直接求解推力和力矩的控制律,采用RBF神经网络动态优化调整反步法的控制增益参数。仿真结果表明,新的控制方法可实现平流层飞艇对直线/圆组合式参考轨迹的高精度跟踪控制,有效克服风场扰动和模型不确定性因素造成的不利影响。     

非保形平流层飞艇升空过程热力耦合建模与压差控制分析

针对非保形平流层飞艇升空过程中气囊膨胀导致压强变化的问题,将飞艇升空阶段分为自由膨胀上升阶段和成形上升阶段,建立非保形平流层飞艇升空热力耦合模型,该模型很好地反映了飞艇内部的气体体积变化和压强变化,为研究平流层飞艇压差控制提供模型基础;考虑飞艇内部状态不能实时获取,提出基于模糊观测器的平流层飞艇压差控制方法,为保证在线学习能力,采用在线顺序模糊极限学习机(OS-Fuzzy-ELM)去训练模糊系统参数。对非保形平流层飞艇升空过程进行运动仿真分析,阐述了控制飞艇压差的必要性;对不同目标压强差下的压差控制进行仿真分析。结果表明,所设计的压差控制器具有良好的输入跟踪能力,对飞艇压差控制器的设计具有重要参考价值。     

基于螺旋桨系统的平流层飞艇复合控制系统

针对平流层飞艇采用螺旋桨推力／气动力复合控制问题,提出了一种基于自适应滑模控制与模糊逻辑的姿态控制设计方法。基于平流层飞艇控制系统的配置状况,建立了飞艇俯仰通道的动力学模型,并将该动力学控制系统分为气动力控制子系统和螺旋桨推力控制子系统两部分。整个控制系统采用自适应滑模控制理论进行设计,利用所具有的强鲁棒性优点,克服了包括参数摄动与外界扰动在内的各类不确定性因素的影响。并通过基于规则的模糊推理来确定不同条件下控制力作用的大小,削除滑模控制产生的抖振。最后仿真结果表明,所提出的复合控制方案对平流层飞艇的姿态稳定具有良好的控制效果,从而验证了复合控制系统设计的有效性。
     

基于遗传算法的平流层飞艇航迹规划方法研究

文章针对平流层飞艇驻空阶段航迹规划问题进行研究和仿真分析.考虑平流层飞艇自身飞行的特点,建立其运动学方程和风场模型,并在适当假设基础上,构造能够反映其飞行能耗的代价函数.最后采用遗传算法进行算例计算,求解平流层飞艇最优轨迹.仿真结果表明,遗传算法能够有效、快速地收敛并稳定至问题的最优解;其所构造的代价函数能够反映飞艇自...     

火箭上升段滚动时域制导控制一体化设计

针对传统火箭上升段制导与姿态控制系统分离设计无法最大程度优化控制精度、控制量需求等系统整体控制性能的问题，提出一种基于凸优化的滚动时域制导控制一体化(IGC)设计方法。首先建立反映质心运动和绕质心运动耦合关系的IGC模型并对其进行反馈线性化获得面向控制的线性模型。然后考虑控制约束，将上升段IGC问题建模为最优控制问题，基于凸优化理论设计滚动时域控制器。该方法基于滚动时域控制(RHC)策略中反馈校正和滚动优化的思想，可以及时弥补模型误差和外部干扰等造成的不确定性；同时利用凸优化算法计算复杂度低、求解简单的优势，有效解决了含控制约束的复杂优化问题的求解。基于李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环系统的稳定性。数值仿真校验了该滚动时域控制方法的有效性和鲁棒性；并且仿真结果表明，火箭上升段IGC设计比传统分离设计制导精度更高、控制量需求更小且姿态变化更加平缓。     

平流层飞艇定点保持模式控制方法研究

平流层飞艇作为执行高空长航时任务的平台近年来引起了全球范围的关注。平流层飞艇运行的技术难题之一就是其在定点保持模式下的自主定位和定姿问题。本文率先建立了平流层飞艇定点保持模式的动力学模型,在此基础上,采用李雅普诺夫(Lyapunov)稳定性理论针对平流层飞艇定点保持模式的非线性系统设计了一种非线性控制律,并证明了所得到的闭环系统是全局渐近稳定的。通过数学仿真验证了该控制方法对非线性系统控制的有效性。     

临近空间再生燃料电池储能系统散热风扇性能

针对平流层飞艇再生燃料电池储能系统的风冷散热组件,采用Fluent计算散热风扇在设计飞行高度不同转速条件下的风压、流量、静压效率等性能参数。进而针对海拔0~20km高度的环境温度和压力变化,计算20kW散热能力条件下散热组件风量需求及其对应风扇转速、功耗等变化趋势。在此基础上,进行散热组件不同海拔高度环境下的性能试验,风扇模型计算结果和试验数据吻合较好。结果表明风冷散热组件能够满足再生燃料电池储能系统在包括起飞、高空驻留和降落在内的整个任务周期的散热要求。     

利用自然能临近空间浮空器的热特性分析

为解决临近空间浮空器驻留期间面临的“超热”、“超压”和“定点抗风”等难题,研究了一种新型的临近空间浮空器,其利用自然界的热能和风能,变“不利”为“有利”,通过简易可行的技术手段实现飞行高度和轨迹的控制,从而实现持久区域驻留。首先建立该新型浮空器的稳态热平衡模型并进行超热值的估算,然后分析系统参数。计算结果表明蒙皮的太阳吸收率和红外发射率对超热值有着重要影响,合理地选择热控涂层可以满足该新型浮空器的设计要求。     

复杂热环境下平流层飞艇高空驻留热动力学特性

热问题是平流层飞艇高空驻留期间面临的重点问题之一。分析了太阳辐射、地球反照和红外辐射等热环境因素的时变特征,提出了多节点平流层飞艇热动力学分析模型。该模型可较好地实现平流层飞艇昼夜热动力学特性仿真研究。计算结果表明,季节、纬度和大气对流等因素对平流层飞艇的热动力学特性有着重要影响。     

快速部署浮空器总体技术研究

快速部署浮空器通过运载器将部署平台投放到预定空域,经过分离、减速伞减速、空中充气、展开等阶段,快速完成浮空平台在平流层的部署,可以实现突发灾难区域的应急通信、应急观测、应急监控等功能,能有效弥补目前平流层浮空器放飞条件限制多、升空过程风险大和部署时间长的不足。对其系统组成、优势进行了介绍,对总体技术进行了研究设计及初步分析验证,并围绕浮力体形式、浮力体充气气体、浮力体表面材料、浮力体载重能力、浮空器分离过程等关键技术开展研究。     

基于离子风电推进系统的平流层飞艇飞行轨迹分析

针对传统螺旋桨受大气密度等环境变化影响,推力和效率显著下降的特点,提出将新型离子风电推进系统应用于平流层飞艇,建立动力学模型和相应推力模型,通过Simulink模块开展轨迹跟踪与定点控制仿真,并对15 km到30 km高度上螺旋桨和离子风作为平流层飞艇主动力的飞行轨迹进行对比分析。结果表明,40 kW功率下,在20 km以上高度,离子风动力飞艇的飞行曲线偏移量与瞬态响应时间远小于螺旋桨动力飞艇。通过优化离子风推进器的结构,选取最佳电压和电极间隙,有可能实现离子风作为飞艇的主动力。     

平流层浮空器快速部署平台的建模与仿真

针对目前平流层浮空器的部署方案中存在着放飞条件限制较多、升空过程中风险较大和部署时间较长等风险和不足,基于弾载弹射技术提出一种新型浮空器快速部署方案。该方案通过运载器将部署平台投放到预定空域,系统经过分离、减速伞减速、空中充气、展开等阶段,完成浮空平台的快速部署。通过分析系统构成和工作流程,建立了能够反映充气展开过程中,伞-艇-充气机构相互作用的多体动力学模型,并通过仿真计算校验了系统方案的可行性。研究结果表明：该方案能够实现平流层浮空器全天候快速部署。     

平流层气球轨迹控制系统平衡点估算研究

简单介绍了平流层气球的特点和研究现状,引出并描述了轨迹控制系统,它几乎无需消耗能源,使长耗时平流层平台成为可能。提出了平流层气球轨迹控制飞行系统的仿真模型,并分别从风速轮廓线、大气密度以及气球、绳和集成翼方面逐一详细分析并进行建模,最后分析了整个飞行系统的特点和求解系统平衡点的难点所在,提出了一种可行的平衡点估算方法。结果表明,该平衡点估算方法可以快速有效地求得整个飞行系统的平衡点。     

Design,modeling and control for a stratospheric telecommunication platform

The stratospheric airship provides a unique and promising platform for broad band telecommunication relay missions, which combine the advantages of both terrestrial and satellite communication. In this paper, the conceptual design, dynamics modeling and attitude control of the stratospheric telecommunication platform are presented. First, the stratospheric telecommunication platform is introduced, including conceptual design, configuration, energy sources, propeller and payload. Second, dynamics model of the platform is derived form the Newton–Euler formulation and the station-keeping attitude control problem is formulated. Then, the adaptive fuzzy sliding mode control scheme is proposed to develop the attitude-tracking control system, with a particular focus on parametric uncertainties and external disturbances. Finally, simulation results verify the effectiveness and robustness of the proposed control scheme. The proposed conceptual design and control scheme provide a promising approach for telecommunication relay missions using the stratospheric station-keeping airship.     

平流层飞艇定点保持模式的建模与稳定性分析

平流层飞艇作为一种新型的通信和观测等应用平台受到世界各国越来越多的重视,定点保持模式是平流层飞艇的飞行任务中很重要的一环。该模式下的控制系统与平飞模式下的传统舵面、螺旋桨控制系统相比具有较大的特殊性。文章建立了平流层飞艇定点保持模式的动力学模型,并分析了模型中假设的控制输入即矢量推力螺旋桨执行机构所产生的控制力和力矩在物理实现上的可行性。在此基础上,采用李雅普诺夫(Lyapunov)近似理论对无控制输入系统进行了稳定性分析,得出系统在无控制输入时是不稳定的,最后通过仿真验证了分析结果。     

利用浮空器提高临近空间的探测预警能力

概述了浮空器在临近空间探测预警上的作用，在此基础上，重点阐述了浮空器作为临近空间探测平台的优势，并与卫星和预警飞机进行了比较分析。主要针对美国对于浮空器的军事应用和进展，如利用浮空器对巡航导弹的探测应用等进行了介绍，最后得出结论。