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。     

基于对数螺旋线的非开普勒轨道设计

基于形状的方法为非开普勒轨道设计提供了一种全新的研究思路。在假定轨道形状为对数螺旋线的前提下设计了拦截轨道。首先通过无量纲化处理方法推导出了对数螺旋线轨道的地心距、极角随时间的变化率与轨道设计参数q的关系式;其次结合运动方程,得到了飞行器沿对数螺旋线轨道运行时需要施加的推力加速度;接着分别针对初始轨道是圆和椭圆的情况进行机动轨道设计。给出了轨道设计的仿真算例和相关分析,结果表明对数螺旋线适宜于拦截轨道设计;当初始轨道为大偏心率椭圆时,采用此方法设计轨道,在一定相角范围内开始机动,可使飞行器运行时间短,且燃料消耗少。     

基于不同动力引力辅助模型的木星转移轨道设计

针对木星转移轨道设计中动力引力辅助模型选择问题展开了研究。首先,介绍了近心点机动和甩摆后机动2种动力引力辅助模型,给出了2种模型下最优脉冲机动速度增量的解算方法;然后,基于动力引力辅助模型,提出了包含引力辅助的行星际转移轨迹初始设计方法;最后,以木星探测任务转移轨迹设计为例,对比了不同动力引力辅助模型下探测器的燃料消耗情况。仿真结果表明:相比于甩摆后机动方式,近心点轨道机动方式更加节省燃料。基于近心点机动引力辅助模型,最终完成了金星-地球-地球引力辅助序列的木星转移轨迹初始设计,为我国未来采用引力辅助方式的深空探测任务提供了一定的参考。     

访问多个特定相对位置的航天器轨道设计

在航天器轨道设计问题中,将惯性空间中经典的吉布斯三矢量定轨方法拓展到相对运动空间中,给出了一种相对运动条件下的三矢量定轨方法。针对已知轨道的目标航天器,以及二个或三个给定的空间相对位置,基于相对运动方程,提出了设计跟随航天器飞行轨道的数值方法。以轨道面共面或异面,以及目标航天器轨道形状为椭圆或圆,将问题分为四种情况进行约束条件和自由变量个数的分析讨论。对于自由变量个数多于约束方程的情况,额外给定周期重访约束,将各种情况下的特定相对位置访问问题转化为一至二维的非线性方程(组)求解问题。对一维方程求解采用分段黄金分割+割线法进行快速求解;对二维方程组通过网格法搜索迭代初值并通过牛顿迭代快速求解。进一步基于线性模型的解,采用微分修正方法求解了各情况下J2摄动模型下的结果。数值算例验证了提出方法的正确性及有效性。     

连续推力机动轨道优化设计的贝塞尔曲线法

提出一种基于贝塞尔曲线的平面机动轨道设计方法。该方法将贝塞尔曲线方程与轨道形状方程相结合，利用得到的复合函数作为轨道方程来对机动轨道进行数学描述；通过约束条件获得可行的机动轨道族，由控制点设计给出具体的优化变量，将累积速度增量作为优化指标函数；并利用优化算法完成参数优化，从而得到最优机动轨道。最后针对设计的机动轨道推力峰值较大的问题，进一步提出了分段贝塞尔曲线法，在降低推力峰值的同时，可进一步降低燃料消耗，并在平面机动转移轨道设计的基础上，通过梯度下降对自由控制点进行修正，解决了考虑时间约束的平面轨道交会问题。     

航天器姿态机动规划技术研究进展

以航天器多约束姿态控制为背景,围绕姿态机动路径的复杂约束处理问题,对姿态机动规划技术的规划模型、方法研究现状与未来发展趋势进行了论述、分析与归纳。首先介绍了航天器姿态机动规划模型,随后梳理并总结了航天器姿态机动规划技术发展历程及现状,从方法逻辑、设计思想等方面对姿态机动规划方法进行分类和关键技术分析,进一步根据技术发展脉络和未来航天任务需求,提出了航天器姿态机动规划技术的若干发展趋势。     

非合作目标交会相对导航方法研究

本文对一类非合作目标交会的相对导航问题进行了研究。基于近圆轨道上运行的非合作目标航天器初始轨道、追踪航天器在惯性空间的瞬时位置及追踪航天器到目标航天器的视线仰角和方位角等信息,文章从相对距离和相对姿态的确定及相对导航滤波器的设计三方面入手,提出了相对位置和相对速度等相对导航参数的获取方法。数学仿真验证了该方法的有效性。     

航天器近距离视觉制导自主机动轨道优化

研究具有视觉导引路径约束的航天器近距离机动轨道优化数值计算问题。首先,给出了带路径约束的椭圆参考轨道航天器近距离轨道机动最优化问题数学模型。利用高斯伪谱法将上述最优化问题转化为非线性规划问题,优化参数为配点上的状态量和控制量。然后,利用MATLAB的SNOPT软件包对非线性规划问题进行求解。最后通过数值仿真验证了方法的有效性和鲁棒性。     

规避姿态禁区的航天器姿态机动路径规划

对航天器姿态机动进行路径规划以规避姿态禁区,能有效保障航天器安全运行,提高在轨寿命。文章研究了多约束条件下的航天器姿态机动路径规划问题,将工程约束表达成明确的函数,提出了基于比例微分控制的编码方法,设计了一种以机动时间最短为目标的评价函数,将路径规划问题转换为最优化问题,采用粒子群优化算法进行最优解搜索,在可接受的代价范围内得到了满足约束的机动路径。仿真结果表明,该方法对于禁区规避问题是有效的。     

航天器交会两点边界值问题

从绝对运动和相对运动两方面讨论近地空间航天器交会中的两点边界值问题。其中，绝对运动涉及多圈Lambert问题，以Lagrange时间方程为研究工具，而相对运动Lambert问题应用C—W线性解。对圆轨道之间的双冲量转移，给定转移角与转移时间，研究最小变轨速度增量所对应的转移圈数与轨道参数的求解方法，提出满足最小变轨速度增量要求的多圈转移的工程图解法，并从工程应用出发，在飞行时间约束下，按最小速度增量要求，阐述航天器交会两点之间飞行轨道（轨迹）设计方法。这种方法将飞行轨迹划分为初始漂移段、轨道转移段与终端停泊段三部分，应用两点边界值问题的解，选择两次冲量机动时刻，使速度增量之和最小。模拟算例表明，这种方法对航天器交会设计是适用的、有效的。     

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%。     

基于微分平滑的欠驱动刚性航天器时间最优轨迹规划研究(英文)

针对非轴对称欠驱动航天器提出了一种新的基于微分平滑特性的时间最优轨迹规划算法。首先,在控制输入受限的约束条件下,对给定的初末姿态,选取航天器机动时间最短为待优化的性能指标。其次,在欠驱动航天器的非受控轴上引入虚拟控制输入,扩展系统的平滑特性,从而使得系统的姿态和控制输入变量均可由平滑输出函数及其各阶导数代数表征;同时为保证优化问题的等价性,引入虚拟控制输入始终为零的附加等式约束。进一步,利用伪谱法离散系统的平滑输出函数,将优化问题最终转化为一个低维的,仅含有代数约束的非线性规划问题,且无需积分求解系统的动态力学方程。仿真结果表明该算法不仅能够有效地减少优化所需的时间,而且运算精度较高。     

柔性卫星角加速度轨迹规划与振动抑制方法

针对柔性卫星在快速机动过程中会激发柔性附件振动的问题,提出一种通过设计角加速度轨迹来抑制振动的方法。在存在振动频率不确定性的情况下,所规划的角加速度轨迹能够将残余振动幅值抑制在指定的范围内。类比不同幂次余弦函数激发的残余振动表达式,设计一种含有多个待定系数的角加速度曲线,并根据残余振动幅值对待定系数进行约束,从而求解出所有的待定系数。这种设计方法改进了余弦函数抑制低频振动需要增加较大机动时间的问题。相比输入成型方法,所规划的轨迹光滑,增加的机动时间较短,对高频振动有着更好的抑制效果。     

全太阳系深空探测轨迹全局优化(英文)

针对太阳系中全部的248997颗行星的探测问题,给出了一种关于探测飞行器的深空探测全局四维轨迹(t,x,y,z)优化方案,即飞行器从地球发射进入太阳系并采用小推力控制,优化方案的性能指标为飞行器与太阳系中全部行星中相遇和交会的星的数量最多并且燃料消耗最少。本方案给出了四维飞行轨迹进行全局优化的一套算法,该算法由搜索算法和四维轨迹优化算法组成。此搜索算法从太阳系的248997颗行星中寻找获得尽可能多的经过近地球3维走廊内的行星;而四维轨迹优化算法由改进的动态规划算法、基于最优控制理论的共轭梯度算法和静态参数优化算法组成,其中静态参数优化算法用于搜索最优发射时间窗口。基于该组合算法,通过长时间的大规模的飞行数字仿真,最终计算出探测器的四维最优飞行轨迹,在一年内路过了太阳系中全部行星中的12颗行星。     

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。     

Guidance of a spacecraft with low lift-to-drag ratio to a landing point

The problem of terminal control over a deorbiting spacecraft at the stage of its flight after leaving plasma (altitude of ∼40 km) is considered, the aim being to guide it to a preset landing point. The algorithm is based on a modification of the well-known method of proportional navigation, when a fixed point is the target. It is suggested to use satellite navigation systems (of the GLONASS or GPS types) and/or radio beacons, which should allow one to determine the spacecraft trajectory parameters with high precision. Single-channel control is performed by changing the roll angle according to current parameters of the trajectory, which ensures adaptability of the method. Examples of three-dimensional trajectories of flight are presented for a manned spacecraft with low lift-to-drag ratio (∼0.5), currently under design in Russia. The results of statistical modeling taking into account initial deviations of the trajectory parameters and wind disturbances are presented. A method of statistical choice of a reference trajectory for the guidance stage is suggested. A theoretical possibility of using the algorithm of spacecraft guidance (in case of in-light accident with a carrier launcher) to preset regions in the vicinity of launching route is demonstrated. A qualitative analysis of proportional navigation with a fixed target is presented.     

地月空间飞行轨道分层搜索设计

通过对地月间飞行轨道特征进行分析，根据不同的终端约束条件，提出了分层搜索的轨道设计方法。其基本思想首先是将月球视为质点，解决空间两质点的相遇问题，其次进一步视月球为球体，完成二体假设下的B平面瞄准，最后在前两步基础之上，根据具体目标条件约束得到精确的轨道。本文详细清晰地给出该方法的设计过程，很好地解决了地月空间轨道搜索的快速收敛性问题，对深空探测器轨道设计有借鉴意义。     

基于约束运动理论的航天员舱外救生中的姿态运动控制

航天员舱外救生或作业时相对母体航天器经常要进行大角度姿态机动或姿态保持,利 用欧拉四元数描述姿态无奇异性且冗余度小。然而航天员舱外调姿时通常含有一定的约束或 是沿着某种预定轨迹,而且欧拉四元数在计算过程中可能发散。基于Udwadia和Kalaba 提出的约束运动理论,分析了航天员和航天器的相对姿态的描述方法,直接用四元数对航天 员的姿态进行动力学建模,将四元数2范数为1的约束加入到动力学方程里。利用该约束运动 理论推导和仿真了航天员姿态欧拉角奇异时的姿态跟踪控制方法。该控制方法对航天员肢体 变化引起的转动惯量等参数的改变具有鲁棒性,能通过平衡解稳定参数的选取方便地对控制 系统的性能进行调节,且计算量小。
     

机动再入飞行器主动段再入点约束闭路制导研究

基于机动再入飞行器再入制导段控制条件荷刻和难度大，必须为飞行器创造最佳的再入条件。本文对具有再入点约束的主支段闭路制导律进行了研究。根据飞行器椭圆弹道的性质、飞行器再入条件、球面几何和不动点原理给出了理想弹道的计算算法。为使飞行器能在主动段很快地进入到理想弹道上，系统采用了非线性的推力向量控制及预测制导方法。通过对新型号再入飞行器的制导系统的设计与仿真，表明该制导系统使飞行器全程飞行有很好的飞行性能。     

控制受限柔性航天器姿态机动内闭环成形控制

针对柔性航天器带有执行机构饱和的姿态控制问题,提出了一种将反馈控制与内闭环信号成形相结合的控制方法。将成形器作用于系统内闭环回路中,通过人为引入控制延时达到抑制振动的目的,避免敏感器扰动、执行机构饱和等非线性影响控制器振动抑制效果。全物理实验结果表明,在反作用飞轮存在控制力矩饱和的情况下,该方法不仅使航天器快速地、平稳地完成高精度姿态机动,而且显著地减少了柔性结构的弹性振动,具有算法简单、易于在轨实时计算的优点。