鲁棒强化学习及其在航天控制中的应用与展望

针对强化学习(RL)中存在的鲁棒性问题,综述了鲁棒强化学习(RRL)的研究进展和在航天控制中的应用与展望。首先阐释了鲁棒强化学习的基本内涵;然后从引入H∞控制理论的鲁棒强化学习、域随机化方法、鲁棒对抗强化学习3个类别分析总结了鲁棒强化学习研究的主要方法;最后分析了鲁棒强化学习在航天控制中的应用,并面向未来复杂化、智能化的航天工程任务,提出了值得研究的问题和发展方向。     

导弹模糊增益调参鲁棒飞控系统设计

由于导弹飞控系统的高度非线性、时变性和不确定性,如何设计导弹高性能鲁棒控制系统是一项关键技术。利用模糊逻辑很强的知识综合和推理等特点,基于模糊控制和H∞鲁棒控制方法,建立了一种模糊参数化的增益调参飞控系统鲁棒设计方法,并利用线性矩阵不等式(LMI)技术,将鲁棒增益调参控制器设计转化成了相应的LMI凸优化问题,解决了复杂鲁棒控制器的求解问题。并将该方法应用于导弹鲁棒控制系统设计,仿真结果表明了该设计方法有效性。模糊逻辑、鲁棒控制以及线性矩阵不等式技术的有机结合可以设计具有全局稳定性及鲁棒性能要求的高性能导弹飞控系统。     

基于数字多波束星载多通道VDES设计

阐述了甚高频数据交换系统(VDES)系统产生背景,针对目前普遍存在的系统通信速率受限以及自动识别系统(AIS)时隙冲突问题,提出一种全双工射频通信频段设计方法和时隙冲突解决途径。通过采用多个射频通道以及多个波束合成,利用阵列天线和数字波束合成(DBF)技术,将卫星大覆盖范围划分为多个相互独立区域,缩小单个天线波束视场覆盖范围,减少单波束范围内船舶数量,能有效降低AIS信号时隙冲突。以600 km卫星轨道为例,介绍了8通道及8个波束DBF设计方法,对波束视场和天线增益等进行了仿真计算。结果表明:多波束可覆盖±42°视场角范围,单波束视场角最大为±14°。     

航天器柔性太阳翼最优PPF主动振动抑制方法

针对采用可变速控制力矩陀螺(VSCMG)进行柔性太阳翼振动抑制问题，提出一种基于求解非光滑 H∞ 综合问题的最优参数正位置反馈(PPF)控制方法。首先，建立考虑VSCMG和柔性太阳翼耦合的振动模型，得到了线性化的约束陀螺柔性板动力学模型，基于同位控制思想推导了以角度陀螺为测量装置的约束陀螺柔性板全阶状态空间模型。针对被控对象特性，确定最优PPF控制器的结构构型和待优化参数。进而，通过对约束陀螺柔性板全阶状态空间模型进行降阶、修正和加权处理，将PPF控制器参数优化问题转化为在PPF控制器构型约束条件下的非光滑H∞综合问题，并应用一阶下降算法进行寻优求解，实现最优PPF控制器的设计。该方法能够实现对各阶陀螺模态的独立控制，在保证快速性和鲁棒性的前提下，实现最优PPF参数的稳定高效求解。仿真结果表明，所提出的最优PPF控制方法能够快速、鲁棒地实现航天器柔性太阳翼的主动振动抑制。     

面向认知无线电的干扰频点鲁棒检测方法

在军事认知无线电中,频谱感知的重要作用是检测干扰信号频点。传统的干扰频点检测方法利用周期图法估计信号频谱,然后将谱估计与阈值比较以确定干扰频点,这种检测方法由于周期图法估计方差大而存在鲁棒性差的缺点。提出一种干扰频点鲁棒检测方法,使用改进的周期图法来估计接收信号频谱,然后使用前向连续均值消除(FCME)方法检测干扰频点。文中还推导了该方法的检测阈值公式和检测概率公式,并仿真分析了该方法在部分频带干扰下的检测性能。仿真结果验证了该方法的有效性。     

柔性关节空间机械臂的自适应滑模控制

探究一类时滞柔性关节空间机械臂鲁棒自适应滑模控制问题。针对该种空间机械臂具有强非线性特点，同时考虑系统的未建模动态与扰动以及时滞影响，提出一种新的鲁棒自适应滑模控制器。基于Lyapunov-Krasovskii泛函和线性矩阵不等式等凸优化方法，给出滑动模态的鲁棒渐近稳定条件，并证明系统状态在有限时间内到达滑模面。最后，三组仿真校验表明了所设计的控制器可行。     

基于观测器的鲁棒稳定控制器设计的新方法

本文研究了线性时变不确定系统的鲁棒观测器问题，针对满足匹配条件的系统，给出一种基于现测器的鲁棒稳定控制器设计的新方法。该方法的特点是，在控制器设计阶段利用Ｒｉｃｃａｔｉ方程代替了Ｌｙａｐｕｎｏｖ方程，对于标称非Ｈｕｒｗｉｚｅ系统不需预先设计补偿器。与现有的一些方法相比，按本文方法设计的鲁棒控制器其算法简单且能容许较大的系统不确定性。文中给出的数值例说明了这种方法的有效性。     

不满足匹配条件的不确定离散系统的鲁棒控制

研究了一类不满足匹配条件的不确定离散系统的二次鲁棒镇定问题，系统的不确定部分为时变、范数有界。通过求解离散代数Riccati方程获得鲁棒镇定增益阵，同时，此Riccati方程的对称正定解也是建立闭环系统渐近稳定性的Lyapunov矩阵。所获得的结论与现有的结果相比，不需要引入增广系统或辅助系统，就可以解决同时含有状态矩阵和输入矩阵不确定性的离散系统的鲁棒镇定问题，本结果可以看成是以前获得的关于连续系统鲁棒镇定结果的离散系统对应。     

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。     

基于迭代LMI的航天器的姿态静态输出反馈

研究了挠性航天器的姿态控制器设计问题。结合Lyapunov矩阵成形的不变椭圆,使用多目标综合技术集成干扰抑制,鲁棒稳定和控制输入约束问题。基于迭代的线性矩阵不等式(ILMI)给出了静态输出反馈控制器。仿真结果表明,该方法虽然具有一定的保守性,但可以较好的满足系统的鲁棒性能要求,对工程实现具有一定的参考价值。     

协同优化在固体弹道导弹概念设计中的初步应用

讨论了标准协同优化方法的流程和特点,并针对固体弹道导弹系统的特点,设计了集成质量、动力、气动、外形和弹道5个学科的弹道导弹多学科设计优化模型.采用协同优化方法集成各学科的知识,协调处理各学科之间的耦合变量,应用合理的优化策略有效地解决了在弹道导弹多学科优化设计中的耦合关系所带来的计算问题,并对该模型成功进行了多学科优化设计,得到了优化方案.研究不但证明了协同优化方法在固体弹道导弹多学科优化设计中的有效性,还表明协同优化方法可使各子学科专注于本学科的优化设计,并使用本学科已有的分析工具,无需考虑对其他学科的影响,这方面相对于其他高要求的MDO方法具有较明显优势.     

基于iSIGHT平台的并行子空间算法研究

概述了并行子空间算法的两种计算框架。即基于学科级优化的并行子空间算法和基于试验设计的并行子空间算法，在对比两种算法框架特点的基础上，分析了基于试验设计法的并行子空间算法的工程实用性，最后结合算例在iSIGHT软件中完成了集成优化分析。     

导弹垂直发射转弯规律优化设计

防空导弹垂直发射转弯控制是一非线性最优控制问题。在优化设计垂直发射转弯规律时,粒子群算法存在易早熟而陷入停滞问题,而变尺度法对俯仰角规律初值敏感容易发散,且计算量大。利用粒子群算法无需手动设定初始值、速度快的特点,将其优化结果作为后者的初始值,然后利用变尺度法较强的局部搜索能力逼近最优解。采用这2种算法简单串联的方法优化得出的垂直发射转弯控制规律,经仿真验证可满足速度、攻角、过载等约束条件,俯仰角速度和攻角变化规律与工程经验一致。     

航天器多学科设计优化技术综述

强调了应用多学科设计优化(MDO)技术进行航天器设计的必要性,分析了航天器MDO设计的内容,通过对各大宇航公司MDO应用的分析,论述了航天器MDO设计现状;在分析MDO框架的功能后,对几种流行的框架作了介绍;最后探讨了航天器MDO应用技术的发展方向。     

无人机载MiniSAR实时成像处理GPU异步优化

合成孔径雷达(SAR)以其全天候、全天时的工作特性及其分辨率不随平台高度变化的成像特性，已成为航天遥感、目标检测领域重要的传感器之一。SAR算法复杂度往往与成像分辨率呈正相关，其中计算量问题成为雷达成像实时性的一大挑战。无人机载MiniSAR具有小型化、低功耗、灵活性强和隐蔽性强等优点，其小型化使设备计算能力受限，加剧了复杂度与分辨率之间的矛盾。图形处理单元(GPU)和多线程技术发展迅速，为无人机载MiniSAR实时成像提供了平台。本文根据实时处理机数据流和GPU异构系统的特点，提出了一种GPU异步优化方案，该方案可明显提高中央处理单元(CPU)与GPU之间的并行工作效率，节约大部分的数据存取开销。实验结果证明:GPU的成像效率是单CPU系统的12倍左右，在此基础上，使用GPU异步优化方案后效率可继续提升15%左右。本文提出的设计思路可显著缓解无人机载MiniSAR的实时成像计算压力。     

面向成本的固液火箭发动机方案设计优化

对固液火箭发动机(HRM)系统进行参数化建模,研究影响推力室等主要部件成本的主要因素,并建立相应成本模型。针对某运载火箭上面级固体火箭发动机CPKM的技术指标要求,采用多岛遗传算法(MIGA),开展面向成本和性能的多目标HRM设计优化。结果表明,HRM在主要功能和部分性能上可替代CPKM;相比于CPKM,HRM在同速度增量下成本下降21.0%,同成本下速度增量提升15.8%;HRM方案设计阶段中,扩张比与比冲、长度、工作时间具有较强线性关系,速度增量和成本等两个优化目标的主要影响因素是初始推力和药柱肉厚。     

立方星电源系统最大功率点跟踪优化控制方法

针对立方星在能量来源严重受限条件下如何提高太阳能利用率的难题，提出一种适用于立方星的集中供电式空间微电源架构(EPS)，并设计基于改进粒子群优化算法的最大功率点跟踪(MPPT)控制策略来提升能量转换效率。首先，推导太阳电池阵列的数学模型，并根据太阳电池阵列的工作特性，提出电源系统最大功率点跟踪控制的物理系统实现结构。其次，设计基于改进粒子群优化(PSO)的最大功率点跟踪控制算法，并进行了数学仿真校验。最后，对所设计的电源系统架构进行了硬件实现和试验验证。地面试验结果表明，电源系统的太阳能最大转换效率可达95.5%。该电源系统成功应用于世界首颗12U立方星“翱翔之星”的飞行试验，在轨数据表明电源系统工作状态良好，为微纳卫星电源系统的设计提供了有益参考。     

一种基于粒子群优化的卫星仅测频被动定轨新算法

提出一种新的卫星对卫星仅测频被动定轨算法,采用粒子群优化算法(PSO)解决多维全局优化问题。首先,建立了卫星对卫星仅测频被动定轨的数学模型;其次,基于粒子群优化算法提出了对目标卫星轨道根数的估计方法;再次,推导了参数估计误差的克拉-美劳(CRLB)下限。最后通过计算机仿真对算法的性能进行了验证。多次仿真结果表明:该算法的参数估计误差接近克拉-美劳下限,且算法的运算量明显优于网格搜索法。     

基于混合量子粒子群优化算法的三维航迹规划

针对粒子群优化算法(PSO)存在的早熟收敛问题,通过将种群的繁殖机制引入量子粒子群优化算法(QPSO),提出了一种混合量子粒子群优化算法(HQPSO),将该算法应用于无人飞行器的三维航迹规划。同时,运用统计学方法,通过仿真实验比较了HQPSO算法与QPSO算法以及带动态变化惯性权系数的PSO算法的性能。仿真实验结果表明,HQPSO不但比QPSO和PSO具有更强的全局搜索能力,而且比QPSO和PSO具有更快的收敛速度。     

基于量子海鸥算法的运载火箭回收舱段时差定位方法

火箭回收舱段的准确定位是实现运载火箭可重复使用的关键技术之一。针对运载火箭回收舱段飞行轨迹的特点,基于多站到达时间差(TDOA)无源定位原理,通过在回收舱段上加装主动辐射源设计了火箭回收舱段定位系统。将时差非线性定位方程求解问题转化为时差似然函数的极值优化问题,通过引入量子编码理论、混沌映射和遗传反向学习机制改进海鸥算法(SOA),将其用于搜索回收舱段最优定位信息。仿真结果表明:改进的量子海鸥算法在火箭回收舱段定位解算的早期收敛速度、定位精度、全局搜索能力等方面均优于传统Chan算法和标准海鸥算法。