基于太阳观测的深空巡航段自主导航方法研究

针对基于小行星观测的自主光学导航在深空巡航段应用中存在的问题,提出了两种基 于太阳观测的自主导航方法。以太阳视线矢量为基本观测量,分别利用分光计和星载导航相 机测量探测器相对于太阳的径向速度和导航天体相对于探测器的视线矢量,进而构建了基于 太阳信息和视线信息的两种观测方案。对两种观测方案的原理和观测方程进行了详细分析和 推导,并采用扩展卡尔曼滤波算法实时估计探测器轨道。最后,以深度撞击任务的实际飞行 数据对本文提出的两种自主导航方法进行仿真验证。结果表明,两种自主导航方法的轨道估 计精度满足深空巡航段的要求。
     

太阳矢量在行星际探测器姿态估计中的应用研究

在基于矢量观测的行星际探测器姿态确定中,参考矢量的几何关系是影响姿态估计精度的一个重要因素。针对这一问题,本文提出了一种利用太阳矢量来提高探测器姿态估计精度的最优算法。该方法在引入太阳矢量的基础上,将星敏感器测得的姿态四元数转化为两个互相垂直的参考矢量,并根据敏感器的测量精度计算相应的规范化权值系数;结合姿态四元数估计算法,给出最小二乘意义下的探测器最优姿态估计。最后,以深度撞击任务的实际飞行数据对本文所提算法进行验证。仿真结果表明,引入太阳矢量后的三轴姿态角估计误差小于150μrad,完全满足深度撞击任务的要求。     

一种基于信息融合的深空巡航段自主导航算法

针对自主光学导航在深空巡航段应用中的问题,提出了一种基于信息融合的自主导航算法。由太阳敏感器测量获得太阳相对探测器的视线矢量,由分光计测量获得探测器相对太阳的径向速度,构建自主导航系统的两种信息观测方程;由基于状态估计误差协方差阵奇异值动态确定信息分配因子,用信息融合技术和扩展卡尔曼滤波算法实时估计探测器的位置与速度。对深度撞击任务的实际飞行数据的数值仿真结果表明:自主导航算法的轨道确定精度满足深空巡航段要求。     

软着陆小行星的自主导航与制导

讨论了软着陆小行星的自主导航与制导问题，首先给出了一种使用星上光学相机和激光雷达的自主导航方法，测量探测器相对着陆点的距离与速度；接着提出了一种自主软着陆的制导方案，为了保证垂直软着陆，事先规划了满足约束的理想下降高度与速度轨迹，并设计滑模变结构控制器跟踪理想轨迹，实现在小行星表面垂直软着陆。最后通过数学仿真验证了提出的自主光学导航与制导方法的可行性。     

硬X射线调制望远镜卫星多样性姿态控制及在轨验证

为了实现硬X射线调制望远镜(HXMT)卫星巡天观测、定点观测和小天区观测等在轨任务,文章提出在控制系统中采用多种姿态指向算法:对日定向慢旋、惯性定向三轴稳定、惯性定向循环小角度旋转等方法,给出了不同观测模式下具体的姿态控制算法,并从算法层面上保证了各约束条件的要求。在设计每种姿态控制算法时,除了需满足控制精度外,还实现了规避太阳或地球等约束条件。控制精度经数学仿真验证和在轨数据分析,结果表明:各个模式的指向精度和稳定度均满足总体要求。     

月面探测器月夜休眠自主唤醒方法

提出一种月面探测器休眠自主唤醒方法:月夜来临时通过地面控制对月面探测器所有设备进行休眠操作;月昼来临时靠太阳光触发唤醒功能,由休眠唤醒电路自主发送指令唤醒探测器,解决月面探测器安全可靠度过月夜的能源供给问题。该方法已通过在轨验证,可为其他深空探测任务提供参考。     

长征系列运载火箭介绍：长征三号系列（四）

长征系列运载火箭介绍长征三号系列（四）陈国华五、制导和控制系统长征三号的制导和控制系统由制导系统和姿态控制系统组成。１．制导系统制导系统采用平台－计算机方案，其任务是发出各级关机（起动）指令，并在二、三级飞行期间进行法向、横向导引计算，将结果输往姿态...     

应用三向测量数据的深空探测器实时滤波定位算法

三向测量数据是深空探测器的一类重要观测数据,文章采用不敏卡尔曼滤波(UKF)算法实现了应用三向测量数据的深空探测器实时滤波定位计算,给出了三向测量体制下的观测模型及观测预测值计算方法,建立了动力学及非动力学两种方式下的滤波预测模型。利用嫦娥三号探测器的实测数据对算法进行了有效性验证,结果表明,文章所给出的观测及预测模型建立方法,适用于三向测量数据,动力学建模算法的稳定性与抗野值能力优于非动力学建模算法,但复杂度又高于非动力学建模方法。上述研究结果对深空探测器的定位或定轨计算具有一定的参考价值。     

小天体软着陆自主光学导航与制导方法研究

针对小天体软着陆任务自主性、实时性的需求,对软着陆小天体自主导航与制导问题 进行了研究。提出了一种利用激光测距仪和光学导航相机跟踪目标着陆点的自主导航方案, 利用测距矢量以及目标点之间的几何关系,确定着陆平面法向方向和目标点位置。分析期望 的探测器下降轨迹特点,给出了一种基于制导变量的脉冲控制制导律,通过对目标点视线与 着陆平面法向矢量之间夹角的控制,将软着陆小天体控制分解为切向控制与法向控制两部分 。最后,通过数学仿真对自主导航制导系统的性能进行了验证,结果表明该方法能够满足垂 直软着陆的任务需要,实现高精度软着陆。     

YH-1火星探测器设计及研制进展

介绍了中国首颗YH-1火星探测器的任务功能、组成和主要技术指标。给出了探测器设计中的火星探测超低温适应、深空探测自主姿态确定与控制、超远距离通信、休眠唤醒和剩磁控制等关键技术,以及相应的解决途径。试验和验证结果表明：YH-1火星探测器的设计满足火星探测特殊环境的任务要求。其设计和试验技术可直接用于我国其他深空探测项目,为后续深空探测积累了经验。     

基于自抗扰技术的挠性航天器高精度指向控制

针对存在外部干扰和模型不确定性的挠性航天器,提出了一类新颖的基于自抗扰技术的控制方案,实现无姿态角速度反馈的航天器对目标高精度姿态指向控制。对目标相对姿态指向控制系统进行建模,引入一光滑连续秦函数,构造三阶扩张观测器,观测系统姿态角速度和总扰动,并利用其实现动态补偿线性化及扰动抑制。针对单框架控制力矩陀螺群作为执行机构常存在的奇异,引入零空间空转指令设计了一类奇异避免操纵律。将控制系统方案用于某挠性航天器模型,仿真结果验证了方案的有效性、合理性。     

复杂约束下航天器姿态机动球面几何规划方法

针对航天器进行大角度姿态机动过程中约束多且复杂的问题，提出一种基于球面几何的姿态规划方法。该方法将复杂指向约束描述为多个禁入锥，设计了区分有效约束和无效约束的路径约束检测方法，能有效减少当前路径处理的约束数量；然后将三维空间避障问题映射到二维平面上，通过球面几何距离公式推导了中间姿态指令解析解。仿真结果表明，该方法规划的姿态机动路径不仅能够满足复杂指向约束，而且具有节省机动时间、计算效率高的优点。     

Attitude controller design for orbital target tracking of geostationary satellite under avoidance constraint

A coordinated attitude control problem is addressed for which a geostationary satellite should maintain communication with a ground station while simultaneously tracking space objects. The coordinated attitude control discussed in this study is related to the attitude maneuvers of a tracking satellite and to the orbital motion of targets placed in orbits of lower altitudes. Modified Rodrigues parameters are employed to avoid singularities even in the presence of large attitude maneuvers. The initial attitude error is calculated based upon an arbitrary initial configuration for the target tracking, so that a sequential tracking from one to another target can be achieved easily. Additionally, avoidance maneuvers aimed at protecting sensitive onboard sensors from the Sun and the Moon are designed using the so-called navigation function. When the avoidance areas are on the transient path due to the coordinated attitude maneuver command, the maneuver is performed with no violation against the given constraint areas by adopting the navigation function.     

航天器多约束姿态机动时-虚混合域规划方法

针对姿态指向受限以及角速度和控制力矩有界等复杂多约束下航天器低能量姿态机动规划问题，首先提出了时-虚混合域的概念，即时域和虚拟域同步存在并且同步求解虚拟域姿态路径以及时域角速度和控制力矩。进一步地，建立时-虚混合域上非线性约束问题模型。然后，提出了时-虚混合域单点式非线性姿态机动规划方法，通过非线性参数优化和单点式路径分解置换规划求解得到姿态机动轨迹以及角速度和控制力矩曲线。仿真结果表明,该方法可以高效地解决多约束姿态机动规划问题，有效地降低姿态机动过程中的能量消耗，得到连续光滑的姿态机动规划结果。     

一种小型固体运载火箭末级多约束制导方法

针对耗尽关机的固体运载火箭末级多约束制导问题，提出了在真空飞行段设计一种具有速度管控能力的多约束制导方法。同时针对速度管控引起的状态矢量耦合问题，基于定点制导算法推导出一种适用于耗尽关机制导的拓展理论算法，通过求解交变姿态速度管控方向实现对耦合项的抑制；并对大气层外“助推-滑行-助推”的任务模式，在此理论基础上推导出滑行点火时间、〖JP2〗需要速度矢量与终端轨道根数之间的理论关系，解决了固体运载火箭在固定弧长条件下的两点边值问题。蒙特卡洛仿真结果表明：该制导算法对不同载荷任务具有较强的适应能力，对模型的参数偏差及不确定性具有高制导精度和强鲁棒性，因此该算法具有一定的理论意义和工程应用价值。     

基于拟欧拉角描述的上面级姿态控制律设计

上面级在多星部署过程中将涉及大角度姿态机动问题,卫星释放所引起的质心横移将给上面级姿态控制带来困难。根据系统质心的横移情况,在上面级体坐标系中确定矢量喷管的平衡位置,进而确定出矢量喷管指向指令方向时的上面级姿态。调制姿态四元数可以得到描述上面级姿态偏差的拟欧拉角及相应的拟欧拉角速度,在拟欧拉角描述的上面级姿态运动模型的基础上,选择合适的滑模面,构造变结构控制律。仿真结果表明,该控制律可对上面级姿态进行控制,进而实现对矢量喷管指向的间接控制,喷管摆角的限幅不会影响姿态控制的过程。     

长征运载火箭飞行控制技术的发展

介绍了新一代长征运载火箭(LMLVs)的型谱，并从四个方面对运载火箭控制系统的发展进行了综述。制导技术从开环制导发展到迭代制导，并针对大推力直接入轨和终端姿态约束要求，进一步发展了迭代制导算法，入轨精度大幅提升；姿态控制仍以PID技术为基础，采用空间模态和等效摆角的建模方法解决助推飞行段多个舱段发动机联合摇摆问题，结合自抗扰技术(ARDC)进行主动减载控制；自载人航天工程起开展系统性的可靠性设计研究，逐渐形成了以设备冗余、算法容错和系统在线重构等为特点的技术体系，促进了长征火箭控制系统可靠性的整体提升；电子系统从分立的集中式体系架构，发展为集成化的分布式数字控制系统。针对当前飞行控制技术的研究热点，本文最后总结了长征运载火箭在这方面的最新实践与发展趋势。     

一种带落角约束的精确导引方法(英文)

为了解决落角控制问题,本文提出了一种新的导引规律。它在零化脱靶量的同时可以达到任何期望的落角。该导引律不需要弹目距离信息和估计飞行剩余时间,并且在理想条件下,对非机动目标可实现完美拦截(零脱靶量和零落角误差)。此外,该导引律可使加速度指令在拦截目标前收敛到零,这有利于加大弹头的侵彻深度。通过与参考文献中两种导引律的仿真对比,表明了本文提出的导引律在落角控制方面的优越性能。     

带有入轨姿态约束的迭代制导算法及应用研究

针对需要满足一定入轨姿态约束的发射任务，研究一种带有入轨姿态角约束的迭代制导算法在运载火箭中的应用。该制导算法在传统迭代制导算法的基础上，将控制姿态角的最优解析表达式，通过二阶近似，展开为与时间相关的二次函数，可以同时满足入轨点速度、位置和姿态角约束。阐述了迭代制导的基本原理，给出带有姿态角约束的迭代制导算法的推导公式。在有相同姿态角约束的条件下，该算法能够保证入轨精度,与传统迭代制导算法相当，且对姿态角约束有较好的控制效果，运载能力损失较少。仿真结果表明，该算法对故障工况及不同姿态角约束具有一定的适应能力。     

Nonlinear H∞ based underactuated attitude control for small satellites with two reaction wheels

Underactuated attitude control is supposed to be used on spacecraft when failure happens with onboard actuators. One main problem with existing underactuated attitude control designs is their limited capabilities against disturbances. In order to solve this problem, an approach based on the theory of H∞$H\infty$ is proposed in this paper. Two propositions are derived from the H∞$H\infty$ theory to improve the robustness of one popular underactuated attitude control design, which was presented by Tsiotras et al. It is proved mathematically that the controller satisfying these two propositions respectively can stabilize the underactuated attitude system locally or globally. The numerical simulations show that the improved controllers based on the H∞$H\infty$ theory could provide higher pointing accuracy for small satellites against disturbances. This validates the effectiveness of the proposed H∞$H\infty$ based approach to improve existing underactuated attitude control designs.