考虑燃料均衡的卫星编队队形重构技术

在卫星编队队形重构过程中,如何在实现编队整体燃料消耗较少的同时使得各子卫星燃料消耗均衡,能够有效地提高卫星编队整体的寿命。提出了一种基于虚拟中心位置可变的卫星编队队形重构新方法。该方法以虚拟中心位置为寻优变量,以首末脉冲时刻可优化的双脉冲规划作为单星轨道机动策略,将编队队形重构问题转化为混合0-1数学规划问题。仿真结果表明,该优化算法在实现整体燃料次优的同时,兼顾了各星当前的燃料剩余水平,实现了各子卫星的燃料均衡。     

椭圆轨道欠驱动编队重构最优脉冲控制

针对椭圆轨道径向或迹向欠驱动编队重构问题,提出最优脉冲控制方法。首先,建立椭圆轨道欠驱动编队动力学模型,并基此分析径向或迹向欠驱动情况下的系统能控性与重构可行性。然后,解析推导两类欠驱动情况下实现编队重构所需的最少脉冲次数。基此,将椭圆轨道欠驱动编队重构最优脉冲控制问题表述为非线性规划问题,并采用遗传算法进行求解。最后,引入全驱动最优脉冲控制策略以及欠驱动最优连续控制策略进行对比分析,验证了欠驱动最优脉冲控制策略的有效性与正确性。仿真结果表明,欠驱动脉冲控制器可在缺失径向或迹向脉冲的条件下完成编队重构,并且保持与全驱动脉冲控制器类似的控制性能。     

椭圆轨道编队常值推力构形变化控制方法

采用T-H方程作为椭圆轨道编队的动力学描述，推导了常值推力作用下的椭圆轨道编队的构形变化控制方法。通过合理的选择控制量的作用时刻，可达到大量节约燃料的目的。结合该构形控制方法给出了燃料均衡与燃料最优的解决方案；最后，给出的仿真算例说明了本文设计方法的有效性。     

卫星编队连续推力控制的燃料平衡方法

在卫星编队飞行中,编队重构等机动过程会导致整个编队卫星之间燃料消耗不均匀,甚至出现某一成员卫星燃料消耗完,而导致整个编队构型提前结束乃至任务失败。针对该问题,文章提出了在卫星编队轨道重构过程中可采用的一种燃料平衡方法,即基于连续推力控制,以燃料最优为控制目标,通过建立燃料消耗函数,推导了不同相位角及重构半径时的最优控制加速度,通过减小各从星之间的燃料消耗函数的差异,使得不同成员卫星燃料消耗差别最小。编队卫星燃料平衡程度取决于初始相位角,文章给出了最佳初始相位角的表达式。最后,对以一主二从的三星编队在从星轨道重构中的从星燃料平衡问题进行了仿真,分别验证了卫星编队连续推力控制方法和编队卫星燃料平衡方法的正确性和有效性。     

航天器编队飞行的周期脉冲控制与燃料分析

针对航天器编队飞行,建立了小偏心率时的相对运动关系,获得了轨道根数差与编队构型参数间的相互转化关系。对编队飞行采用周期脉冲控制方法,在1个轨道周期内消除轨道根数偏差。定量分析了编队重构和J2项摄动下构型长期保持控制的燃料消耗。仿真结果验证了控制方法和燃料分析的准确性。     

带燃料均衡的空间多飞行器编队重构的轨道规划方法

航天任务需求的多样化对空间多飞行器编队重构的轨道规划问题不仅提出了燃料或时间最优的要求,还提出了燃料和时间最优以及燃料均衡的要求。将带燃料均衡的多飞行器编队重构的轨道规划建模为一个多目标优化问题,通过将进化计算与问题领域的知识相结合,提出了一种基于小生境进化算法的最优轨道规划方法。该方法能从变轨时间、燃料消耗和燃料消耗方差三方面分别评价一个变轨方案的最优性,并且一次规划能够提供多个Pareto最优变轨方案。仿真结果证明了该方法的正确性和有效性,还揭示了编队重构轨道规划问题的三个优化目标之间的关系,对于制定任务计划具有重要的参考价值。     

卫星编队队形重构中的模型选择

推导了卫星编队进行燃料最优队形重构时,两组Lawden方程（时间域和真近点角域）下所建立目标函数的数学关系,指出在不需要解析解的情况下,动力学模型应选择时间域下的Lawden方程,目标函数应建立在时间域。首先,分别针对脉冲推力和持续推力机动,研究了两组方程下目标函数的差异。然后,以持续推力式重构方法为例,构造了燃料最优目标函数,基于最大值原理,建立了队形重构的两点边值问题。然后,采用边界迭代法求解初始协态变量,确定最优的控制加速度。最后通过数学仿真验证了模型分析的正确性及算法的有效性。
     

编队卫星碰撞规避方法研究

对编队卫星碰撞规避方法进行了研究。通过递推编队卫星的初始状态协方差阵,将碰撞概率密度函数在危险区域积分获得编队卫星的碰撞概率。当碰撞概率大于安全阈值时,向卫星施加最小脉冲速度修正量Δv,在垂直于终止时刻相对速度的平面机动一定距离以降低碰撞概率。仿真结果表明:用计算的碰撞概率能较好地预测编队卫星的潜在碰撞危险,所选机动策略有效。     

卫星编队飞行相对轨道的确定

卫星之间相对轨道的确定对于多颗卫星编队飞行的控制和任务是十分重要的。结合空间圆形的编队飞行星座，本文给出了描述卫星近距离运动的C-W方程，讨论了空间圆形的编队卫星星座的构成，进而设定了利用激光仪测量星间位置矢量，并设计了Kalman滤波器来实现相对轨道的确定，分析和仿真结果表明，Kalman滤波器能够有效提高相对位置确定精度并给出相对速度的高精度估计。     

非线性条件下编队卫星周期性相对运动条件

利用编队卫星机械能守恒原理，提出了非线性条件下求解编队卫星周期性相对运动条件的新方法，给出了非线性周期相对运动的初始条件。编队卫星相对距离较近时，利用非线性周期运动条件，可修正Hill方程的初始条件，抑制编队卫星的长期漂移。编队卫星相对距离较大，非线性因素不可忽略时，利用非线性周期运动条件，可找到不需消耗任何燃料的周期性相对运动轨道。最后的数值仿真结果验证了该方法的正确性。     

Near-optimal geostationary transfer maneuvers with cooperative en-route inspection using hybrid optimal control

This research investigates the performance of bi-level hybrid optimal control algorithms in the solution of minimum delta-velocity geostationary transfer maneuvers with cooperative en-route inspection. The maneuvers, introduced here for the first time, are designed to populate a geostationary constellation of space situational awareness satellites while providing additional characterization of objects in lower-altitude orbit regimes. The maneuvering satellite, called the chaser, performs a transfer from low Earth orbit to geostationary orbit, during which it performs an inspection of one of several orbiting targets in conjunction with a ground site for the duration of the target?s line-of-site contact with that site. A three-target scenario is used to test the performance of multiple bi-level hybrid optimal control algorithms. A bi-level hybrid algorithm is then utilized to solve fifteen-, and thirty-target scenarios and shown to have increasing benefit to complete enumeration as the number of targets is increased. Results indicate that the en-route inspection can be accomplished for a small increase in the delta-velocity required for a simple transfer to geostationary orbit given the same initial conditions.     

Application of SDRE technique to orbital and attitude control of spacecraft formation flying

This paper proposes the application of a nonlinear control technique for coupled orbital and attitude relative motion of formation flying. Recently, mission concepts based on the formations of spacecraft that require an increased performance level for in-space maneuvers and operations, have been proposed. In order to guarantee the required performance level, those missions will be characterized by very low inter-satellite distance and demanding relative pointing requirements. Therefore, an autonomous control with high accuracy will be required, both for the control of relative distance and relative attitude. The control system proposed in this work is based on the solution of the State-Dependent Riccati Equation (SDRE), which is one of the more promising nonlinear techniques for regulating nonlinear systems in all the major branches of engineering. The coupling of the relative orbital and attitude motion is obtained considering the same set of thrusters for the control of both orbital and attitude relative dynamics. In addition, the SDRE algorithm is implemented with a timing update strategy both for the controller and the proposed nonlinear filter. The proposed control system approach has been applied to the design of a nonlinear controller for an up-to-date formation mission, which is ESA Proba-3. Numerical simulations considering a tracking signal for both orbital and attitude relative maneuver during an operative orbit of the mission are presented.     

Decentralized coordinated control for multiple spacecraft formation maneuvers

We investigate the decentralized coordinated control problem by looking into local information exchange among formation flying spacecraft regarding formation maneuvers. The nonlinear dynamics that describes the motion of formation flying spacecraft relative to a reference spacecraft is considered for the general case, in which the reference spacecraft is in an ideal elliptical orbit. With the novel use of consensus algorithms combined with behavior-based control, coordinated formation controllers are proposed for three schemes: (i) with full state feedback; (ii) without velocity measurements; (iii) and with external disturbances and parametric uncertainty. The three algorithms used in the schemes can achieve both formation maneuvering and formation keeping, as well as consider actuator saturation. Numerous simulations demonstrate the effectiveness of the proposed control schemes.     

空间交会相对状态测定与控制

阐述航天器交会对接最终逼近段相对状态测定与控制算法。测定算法适用于计算机视觉系统,根据标志点构型几何特征,建立非线性测距方程组并构造加权目标函数。对非共面标志点构型（如3点T型与5点锥型）和共面标志点构型（如正方形、矩形、菱形）,目标函数均含标志点间距比率关系项;对共面构型,目标函数还包含共面条件项。按最小二乘法,采用Gauaa-Newton数值迭代法求解测距最佳值;对共面标志点四边形构型,利用对角线交点的虚影像坐标确定测距求解迭代初值。获得测距后即可应用四元数估算法确定相对姿态与相对位置。对相对姿态控制算法,给出相对姿态运动学与动力学方程,讨论相平面法与四元数反馈法的控制设计方法。相平面控制法应用常值推力,针对小姿态角机动的特点,将相对姿态通道解耦为三个独立的二阶子系统,设计相平面推力方向切换函数;四元数反馈法应用本征轴旋转的线性二阶系统瞬态响应特性,选择相对四元数与相对角速率反馈增益系数,确定控制力矩。对相对位置控制算法,将实际位移对标称位移之差作为控制变量,阐述所需速度增量最小的双冲量机动。大量模拟计算结果表明相对状态测定与控制算法是有效的。     

Image based control of the “PINOCCHIO” experimental free flying platform

A free floating platform is realized with a pneumatic suspension system which enables a two-dimensional test of complex space operations, such as rendezvous and docking. The platform is equipped with a IMU and actuated via cold gas thrusters. In addition, an on-board camera is used to acquire a target and its image is processed for evaluating the control actions needed to reach it. A technique for determining the relative position and velocity with respect to target using the same visual device is proposed and realized. The novel algorithms and relevant experimental results are presented. The tested accuracy of the relative navigation system is not very high, but the guidance algorithm, which is image based and has just a weak dependence on the position information, is robust enough to perform a successful maneuver. The error between the final acquired target image and the desired final target image is of the order of one pixel, notwithstanding all the testbed disturbances.     

双体卫星对日定向姿态机动控制

研究了双体卫星(DFP)对日定向姿态机动控制问题。首先分析双体卫星工作机理，建立载荷舱与平台舱姿态模型，推导磁浮机构线圈和磁钢相对距离的数学表达式。提出基于PD控制的载荷舱对日姿态机动、平台舱姿态跟踪以及两舱避碰等控制策略。在此基础上，为提高平台舱姿态跟踪速度，设计反步控制器对平台舱飞轮的动态特性进行补偿。进一步，为提高两舱协同控制性能，对传统PD控制进行改进，提出基于变增益PD控制的载荷舱姿态机动控制律，将两舱相对姿态信息包含在载荷舱对日姿态机动控制律中，有效降低了两舱碰撞风险，提高了两舱姿态机动速度。仿真结果表明，本文控制算法能有效实现双体卫星对日定向，且能避免两舱碰撞。     

基于相对轨道根数的航天器编队控制三冲量方法

在采用相对轨道根数描述航天器编队构形的基础上,把航天器平面内编队控制问题转化为航天器交会问题,根据编队构形的几何参数得到解决问题的三冲量控制方法,该方法具有燃料消耗少且只需沿航迹向安装推力器,便于工程应用的优点.最后对推力器的推力大小偏差、方向偏差对编队构形的尺寸以及相位控制精度的影响进行了理论分析.     

基于气浮台的编队飞行地面试验建模与鲁棒控制器设计

为分析验证卫星编队飞行涉及的相对导航、制导与控制以及星间通信等问题,搭建了编队飞行的地面试验系统,采用了一块3m×4.5m的气浮平台和具有两个平动自由度和一个转动自由度的卫星仿真器分别来模拟低阻力的空间环境和编队飞行的卫星,相对导航采用了视觉相机和室内GPS两种方案,星间通信则通过蓝牙进行模拟。推导了描述仿真器间相对运动的包含参数不确定性的动力学模型,并基于此模型设计了带极点配置的鲁棒H∞控制算法,通过姿态同步和构型保持等仿真实验重点对编队飞行的相对导航、星间通信和相对状态控制进行分析验证,对实际的编队任务具有一定的参考和指导意义。