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。     

卫星编队飞行队形重构防碰撞方法研究

队形重构技术是卫星编队飞行领域研究关键问题之一.多颗卫星近距离编队队形初始化、队形调整及重构,卫星之间相对距离变化带来碰撞问题不可忽视.根据卫星间相对位置关系建立队形重构过程中碰撞概率函数表征该过程碰撞发生可能性,研究表明故障卫星的初始相位角及备份卫星进入编队的初始角度对碰撞概率有较大影响.根据Lyapunov稳定性理论设计改进LQR控制器,在保证队形调整控制精度不需增加过多调整时间及能量消耗的同时,可有效降低碰撞概率.碰撞概率计算方法、控制器设计及所得相关结论,对研究卫星编队队形重构过程星间防止碰撞问题具有一定意义.     

一种基于进化计算的空间飞行器编队重构轨道规划方法

基于进化算法提出了一种两层结构的空间飞行器编队重构的轨道规划算法,高层算法通过优化构型映射来优化编队的总燃耗,实现全局规划并确保飞行器之间保持一定的安全距离以避免相互碰撞;低层规划算法采用Chebyshev多项式逼近控制变量空间,为每颗飞行器规划满足约束条件的最优轨道。该方法充分利用了编队的分布式结构,由各飞行器并行实现各自的轨道规划,能有效解决大型编队的轨道规划问题。仿真结果表明了该方法的有效性。     

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。     

一种考虑最优收敛时间的多无人机编队控制方法

针对多无人机编队过程中的收敛时间问题,提出了一种基于最优控制和粒子群优化算法的一致性编队控制方法。将无人机机动约束和一致性编队控制算法结合,实现了无人机在约束条件下的编队控制。基于人工势场思想,设计了一种具有机间避碰能力的一致性编队控制方法,解决了无人机之间的碰撞问题。通过最优一致性控制和粒子群优化算法优化一致性编队控制方法,在考虑机间避碰的情况下,使整个编队的收敛时间降低1.2 s,整体收敛性能提升6.28%。仿真结果表明该方法能够缩短多无人机的编队收敛时间。     

一种基于遗传算法的编队队形重构优化方法

针对卫星编队队形重构问题,提出了一种满足星间安全距离约束的燃料优化队形机动     

高速飞行器编队队形快速成形设计方法

针对高速飞行器编队队形设计问题,提出了一种基于伪谱法和自适应策略的快速成形实现方法。首先,建立高速飞行器三维运动模型,为解决初始构型与期望队形偏差过大难以满足控制约束的问题,提出了一种考虑最低能量和最小偏转角度的队形设计原则,可自适应调整编队成形空间位置;然后,将高速飞行器编队控制问题转化为轨迹设计优化问题,并利用伪谱法实现各飞行器满足过程约束飞行轨迹的求解与优化;最后,对不同初始状态、不同偏差分布情况下的高速飞行器编队成形过程进行了数值仿真分析,验证了快速成形设计方法的有效性和鲁棒性。     

空间机器人动力学奇异回避的笛卡尔轨迹规划

针对空间机器人动力学奇异的回避问题，提出一种基于组合函数的笛卡尔轨迹规划方法。将梯形规划与正弦函数相结合，对机械臂末端的位姿进行参数化。机械臂沿着某一轨迹运动时，根据阻尼最小方差法(DLS)的特点，提出一种判断是否发生动力学奇异的方法，并据此进行轨迹规划。该方法可以保证空间机械臂运动过程中不会遇到动力学奇异。此外，将基座姿态扰动和机械臂运动时间作为目标函数的一部分，最终，轨迹规划问题转化为多目标优化问题，并利用混合整数规划的混沌粒子群优化算法(CPSO)进行求解。该优化算法能够改善标准粒子群算法(PSO)的“早熟”现象。仿真结果表明，新方法能够有效处理动力学奇异问题，减小基座姿态扰动及运动时间。     

领航主机约束化的多四旋翼无人机编队航迹优化方法

针对多四旋翼无人机编队队形保持不变情况下的航迹优化问题，在飞行过程中以图论方法为基础将四旋翼无人机编队看作一个虚拟刚体，将编队中的跟随无人机看作领航四旋翼无人机的约束来处理，优化过程中仅考虑领航四旋翼无人机的最大转弯半径约束、队形变换时间约束及转换而来的约束，并将编队飞行所需能量最小作为优化目标，求解多四旋翼无人机编队定时到达目标的航迹优化问题，然后基于Gauss伪谱法对领航四旋翼无人机进行航迹优化，将其转化成一个非线性规划问题。仿真结果表明，利用本文提出的算法可以获得一条平滑飞行航迹，满足定时到达目的地约束、多无人机性能约束和环境约束要求；所获得的航迹能安全绕过障碍物，提高了无人机编队的生存能力，有一定的工程应用价值。     

采用SDRE方法的无径向推力最优轨道控制

针对无径向推力作用的两航天器轨道交会和编队卫星队形重构任务,采用状态依赖Riccati方程(SDRE)方法求解了其最优轨道控制问题。首先考虑J2摄动和推力仅存在于追踪航天器的周向和法向,推导了状态依赖配点(SDC)形式的非线性相对运动方程。然后针对终端状态为零的轨道交会问题,采用SDRE方法得到了最优反馈控制律,并给出了状态依赖Riccati微分方程的近似求解策略和数值求解策略。接着扩展了SDRE方法并将其用于终端状态不为零的编队卫星队形重构问题,并给出了相应的数值求解策略。相比于伪谱法等优化方法,本文提出的方法不需要初始猜测值。此外,数值仿真表明,解析求解Riccati微分方程方法对于近圆轨道具有较高的精度,数值计算方法对即使偏心率为0.3的椭圆轨道,其最优性偏差仍小于6%。     

一种分布式卫星构形变换路径规划方法

在一种分层控制体系结构下研究了分布式卫星系统的构形变换问题。以控制量的二次型性能指标作为构形变换控制的优化指标,线性离散模型下的构形变换动力学约束作为基本约束,将构形变换的路径规划问题作为一个二次规划问题求解,并给出了数值仿真的算例。在单个绕飞星构形变换规划算法的基础上,提出了一种整体优化方法,使构形变换过程中整体能量最优,依此作为构形变换的顶层规划方法,并给出了仿真结果。     

强约束条件下星座一体化优化设计方法研究

针对星座构形一体化设计时，由于约束条件复杂而导致求解困难的问题，提出了自适应序列约束边界法和约束邻域排斥策略，以进化算法为基础构成了星座构形一体化优化设计方法。应用此方法进行了全球导航星座构形一体化优化设计，设计结果表明该方法能够高效解决综合考虑多种设计因素、具有离散／连续混合变量、无导数信息的星座构形一体化优化设计问题。     

考虑状态约束的二体旋转库仑卫星系统重构控制

研究考虑控制输入饱和与状态约束的深空旋转二体库仑卫星构型控制问题,只采用卫星之间的库仑力作为控制力,提出一种基于反步法的非线性控制方法。首先推导了二体库仑卫星在地-月系平动点附近的相对运动方程,利用旋转二体库仑卫星的特性,对方程进行了简化。为了完成禁止相对运动区域的回避,设计了新的状态限制辅助函数,结合抗饱和方法与反步法得到了二体库仑卫星的构型控制器。接着证明了由于状态限制辅助函数的加入,所设计的控制器可以保证卫星相对运动不超出限制范围。进一步应用Lyapunov稳定性定理证明了其闭环系统的一致最终有界性。最后在Matlab/Simulink平台上进行了仿真校验,结果表明了方法的有效性。     

导航星座的任务重构技术研究

以COMPASS卫星导航星座为对象,研究了导航任务的重构技术。首先,对COMPASS卫星导航星座的主要性能进行了分析和仿真;其次,分析了星座中部分卫星失效后对导航性能的影响;最后,提出了分别利用在轨运行的高、中、低轨卫星及临近空间飞行器进行任务重构的方法,并对重构后的导航性能进行了仿真。仿真结果表明：提出的任务重构方法对于保证导航星座的正常运行是有效的。同时,对于研究飞行器应急测控技术具有借鉴意义。     

Optimal satellite formation reconfiguration actuated by inter-satellite electromagnetic forces

The inter-satellite electromagnetic forces generated by the magnetic dipoles on neighboring satellites provide an attractive control actuation alternative for satellite formation flight due to the prominent advantages of no propellant consumption or plume contamination. However, the internal force nature as well as the inherent high nonlinearity and coupling of electromagnetic forces bring unique dynamic characteristics and challenges. This paper investigates the nonlinear translational dynamics, trajectory planning and control of formation reconfiguration actuated by inter-satellite electromagnetic forces. The nonlinear translational dynamic model is derived by utilizing analytical mechanics theory; and analysis on the dynamic characteristics is put forward. Optimal reconfiguration trajectories of electromagnetic force actuated formation are studied by applying optimal control theory and the Gauss pseudospectral method. Considering the high nonlinearity and uncertainty in the dynamic model, an inner-and-outer loop combined control strategy based on feedback linearization theory and adaptive terminal sliding mode control is proposed with finite-time convergence capability and good robust performance. Theoretical analysis and numerical simulation results are presented to validate the feasibility of the proposed translational model, reconfiguration trajectory optimization approach and control strategy.     

Optimal reconfiguration maneuvers for spacecraft imaging arrays in multi-body regimes

Upcoming National Aeronautics and Space Administration (NASA) mission concepts include satellite arrays to facilitate imaging and identification of distant planets. These mission scenarios are diverse, including designs such as the terrestrial planet finder-occulter (TPF-O), where a monolithic telescope is aided by a single occulter spacecraft, and the micro-arcsecond X-ray imaging mission (MAXIM), where as many as 16 spacecraft move together to form a space interferometer. Each design, however, requires precise reconfiguration and star tracking in potentially complex dynamic regimes. This paper explores control methods for satellite imaging array reconfiguration in multi-body systems. Specifically, optimal nonlinear control and geometric control methods are derived and compared to the more traditional linear quadratic regulators, as well as input state feedback linearization. These control strategies are implemented and evaluated for the TPF-O mission concept.     

Optimal reconfiguration maneuvers for spacecraft imaging arrays in multi-body regimes

Upcoming National Aeronautics and Space Administration (NASA) mission concepts include satellite arrays to facilitate imaging and identification of distant planets. These mission scenarios are diverse, including designs such as the terrestrial planet finder-occulter (TPF-O), where a monolithic telescope is aided by a single occulter spacecraft, and the micro-arcsecond X-ray imaging mission (MAXIM), where as many as 16 spacecraft move together to form a space interferometer. Each design, however, requires precise reconfiguration and star tracking in potentially complex dynamic regimes. This paper explores control methods for satellite imaging array reconfiguration in multi-body systems. Specifically, optimal nonlinear control and geometric control methods are derived and compared to the more traditional linear quadratic regulators, as well as input state feedback linearization. These control strategies are implemented and evaluated for the TPF-O mission concept.     

面向卫星通信系统的低成本超表面相控阵技术

低轨通信卫星系统因其传输延迟小、通信容量大、发射运营成本低等优势,受到了国内外的广泛关注。然而,低轨通信卫星技术的发展对星载天线系统提出了挑战。为提高卫星星座的通信容量以及实现对用户的跟踪覆盖,波束扫描、波束可重构及多波束覆盖不可或缺。在低成本建设运营的背景下,迫切地需要一种低成本的天线系统方案。作为一种低成本新型相控阵技术,综述了超表面相控阵天线技术及其在波束调控中的应用。首先对超表面天线波束形成的方法进行了简单的研究,之后介绍了超表面电磁调控的机理以及实现可重构的手段,最后介绍了超表面相控阵天线在波束形成、波束扫描、多波束产生中的应用。该技术相较于传统相控阵技术,大幅降低了成本,且在电磁波极化、频率调控中展现出巨大的灵活性。通过对该技术的综述,展望了超表面相控阵在低轨通信卫星中的应用。     

基于系统函数优化的非规则天线阵列综合孔径辐射计亮温反演算法

为改善非规则天线阵列综合孔径辐射计反演图像质量,提出了基于系统函数优化的亮温反演方法。通过优化非规则天线阵列的系统函数,消除单元天线非规则排列对系统性能的影响,并在优化过程中引入正则化,稳定反演图像。为补偿正则化引起的反演图像质量损失,在反演算法中引入了迭代运算。仿真结果表明:所提出的反演算法能有效改善非规则天线阵列综合孔径辐射计的亮温反演图像质量,可应用于基于小卫星编队的分布式综合孔径遥感图像反演中,并能为基于小卫星编队的分布式综合孔径阵列优化提供理论基础。