基于PEA的椭圆轨道航天器编队飞行高精度位置保持

针对航天器编队飞行时相对位置保持精度要求高的特点,采用基于线性变参数模型的多项式特征结构配置方法设计椭圆轨道航天器间相对位置控制算法。对于线性变参数控制系统,本文将基于线性定常系统的多项式特征结构配置方法推广以确保系统性能与变化参数间的独立性。在特征结构配置时,先设计带参数变化的控制器结构后计算出带未知控制器增益的设计闭环传递函数,接着将其与含有闭环系统性能的期望传递函数在三个条件下进行匹配,进而获得未知控制器增益的表达式。在设计实际控制椭圆轨道编队飞行MIMO相对位置保持算法时,将系统期望传递函数设为解耦形式来实现三轴位置控制间的解耦控制,达到提高系统控制性能的目的。最后进行相应的数学仿真,其结果表明该算法能够保证系统的高精度位置保持要求。     

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。     

编队卫星短弧段相对轨道确定方法研究

针对2颗星编队飞行的情况,描述了相对运动的3种动力学模型,利用GPS测量得到的相对位置矢量,选择了非线性最小二乘估计方法来实现相对轨道确定.结合空间圆编队构形进行了分析和仿真,结果表明该方法能得到高精度的相对状态信息,相对动力学模型越精确,相对状态信息精度越高.     

平动点轨道的动力学与控制研究综述

平动点轨道在深空探测领域具有重要的应用价值,引起了国内外航天界的密切关注.详细介绍了平动点轨道的发展历史,并深入剖析平动点附近的相空间结构和同＼异宿连接的力学机制;论述Halo轨道转移方式的实现、轨道维持策略及平动点轨道的姿态描述,然后讨论了实现深空组网的平动点星座建立.平动点具有十分丰富的内容,在轨道动力学其他领域亦有扩展,细致分析了平动点理论在地月转移、太阳帆轨平动点以及近地编队飞行等方面的应用.     

航天器编队的六自由度循环追踪协同控制

针对航天器编队的姿轨协同控制问题,提出一种使用循环追踪策略的六自由度(6-DOF)协同控制方法。首先,结合Lagrangian形式的姿态动力学和轨道动力学方程,建立航天器编队的六自由度相对运动模型;然后,以线性双积分系统的循环追踪算法为基础,分别设计可跟踪动态目标的循环追踪算法和航天器匹配自然周期相对运动的循环追踪算法。综合上述两种算法,设计航天器编队六自由度协同控制的循环追踪算法。该算法可实现航天器编队空间圆构型初始化,跟踪动态的期望姿态和相对运动。仿真结果证明了所提出的航天器编队六自由度协同控制的循环追踪算法的有效性。     

椭圆轨道卫星编队飞行的构型设计

研究了椭圆轨道卫星编队飞行的构型设计问题。首先给出常用的两类相对运动方程,即基于相对轨道状态的相对运动方程和基于轨道根数的相对运动方程,并推导出两类相对运动方程之间的对应关系。然后,针对卫星编队飞行的构型设计问题,结合两类相对运动方程的优点,提出一种简化的编队飞行构型设计方法,避免了复杂的计算。最后通过数学仿真进行了验证。     

编队飞行区域性导航卫星和位置保持

提出一个由4颗地球同步轨道卫星编队飞行组成区域性导航系统方案。采用精确描述相对运动的编队飞行运动学模型，设计编队飞行各卫星轨道参数。在考虑地球同步轨道主要摄动条件下，进行编队飞行队形变化动力学仿真。根据仿真结果，估算区域性导航精度在十米至二十米范围内。除此以外，还研究编队飞行位置保持控制策略和燃料消耗估算。这是至今为止在相同精度和相同覆盖区条件下卫星数量最少的，也是投资经费最低的导航系统方案。     

推力方向受限条件下的编队构型变结构控制

精密构型保持控制是编队飞行的关键技术,滑模变结构控制方法是实现近地轨道紧密编队鲁棒控制的有效方法.编队动力学系统存缺少径向控制输入情况下,仍是可控的.针对这一特性,进行了推力方向受限条件的编队构型变结构控制.提出了利用保性能控制原理的鲁棒的滑动面设计方法,实现了模型不确定不匹配系统的变结构控制,结合J2摄动力和编队状态的关系式,解决了缺少径向控制情况下编队构型控制系统模型不确定和干扰不匹配问题.仿真结果表明,所提方法可以实现无轨道径向推力编队构型保持的鲁棒控制.     

飞行器控制的伪线性系统方法——第二部分：方法与展望

针对第一部分提出的六类典型飞行器控制问题的共性伪线性系统模型，介绍了二阶伪线性系统的直接参数化设计方法：通过设计伪线性状态反馈控制律，可使闭环系统化为一个具有指定特征结构的二阶线性定常系统，并提供了控制系统设计中的所有自由度。另外，还以希望的闭环向量结构要求、闭环系统的干扰抑制要求和最小闭环特征值灵敏度要求为例，展示了通过综合优化设计自由度来实现控制系统的多目标设计思想。最后展望了伪线性系统理论的发展前景。     

圆型限制性三体问题相对运动解析研究

针对圆型限制性三体问题共线平动点附近周期/拟周期轨道下的相对运动问题，提出一种新的、通用的解析研究方法。在周期/拟周期轨道近似解析解的基础上，结合微分修正方法，获得了精确的周期/拟周期轨道。对周期/拟周期轨道的单值矩阵进行分析，同时借鉴Floquet理论核心思想，建立了六个相对运动模态，并将相对运动表示为六个相对运动模态的线性组合，获得了相对运动的近似解析解。最后在地-月系统圆型限制性三体问题下，以L1点作为研究对象，分别以Halo轨道、Lissajous轨道和Lyapunov轨道为参考轨道，对相对运动模态和相对运动进行仿真分析，说明了相对运动模态的正确性以及相对运动近似解析解的有效性。     

Nonlinear relative position control of precise formation flying using polynomial eigenstructure assignment

A nonlinear relative position control algorithm is designed for spacecraft precise formation flying. Taking into account the effect of J₂ gravitational perturbations and atmospheric drag, the relative motion dynamic equation of the formation flying is developed in a quasi-linear parameter-varying (QLPV) form without approximation. Base on this QLPV model, polynomial eigenstructure assignment (PEA) is applied to design the controller. The resulting PEA controller is a function of system state and parameters, and produces a closed-loop system with invariant performance over a wide range of conditions. Numerical simulation results show that the performance can fulfill precise formation flying requirements.     

Sun–Earth L2 point formation control using polynomial eigenstructure assignment

A nonlinear controller based on polynomial eigenstructure assignment (PEA) is presented for the control of Sun–Earth L₂ point formation flying. The relative motion dynamics is formulated as a nonlinear equation and rewritten as a Quasi-Linear Time-Varying (QLTV) model. Using a coprime factorization of the desired closed-loop transfer function, the PEA controller structure is calculated by representing the controller gains as polynomials. During the implementation of spacecraft formation flying, the PEA method is extended from Linear Time-Invariant (LTI) and Linear Parameter-Varying (LPV) models to a QLTV model to produce a closed-loop system with invariant performance over a wide range of conditions. To ensure system performance, the analytic stability analysis of the closed-loop system is developed and a position keeping controller for MIMO formation flying is designed using a decoupling method to achieve the desired performance. Finally, a simulation is carried out to validate the controller performance for the formation flying.     

控制受限的编队航天器鲁棒自适应控制

研究了考虑控制受限的编队航天器鲁棒自适应轨道跟踪控制问题。针对航天器编队飞行系统中控制受限、外部扰动和模型不确定性的情况,利用反步控制方法和指令滤波设计提出了一种鲁棒自适应控制策略。指令滤波器用于补偿控制受限对于控制器的影响,同时设计了自适应律对未知参数进行估计,并且利用Lyapunov稳定性理论分析了闭环系统的渐近稳定性。和滑模控制等传统鲁棒控制不同,所设计的鲁棒自适应控制器是连续的,更便于航天器编队飞行系统的实现。仿真结果表明所设计的控制器既能实现高精度的编队飞行跟踪控制,又能保证控制受限的要求。     

GPS在航天器编队飞行任务中的基础性作用

GPS正在改变航天器的测控格局 ,拓宽卫星和星座控制技术 ,从而构成空间编队飞行定时、测量和控制的技术基础。国内外已开发出对航天器编队飞行任务进行精确定位和导航的GPS方案。GPS将充当一大类多航天器编队飞行任务的导航系统。在当前开发的空间编队飞行技术中 ,编队航天器的测量和控制、星间链路通信、任务综合与验证、编队飞行试验台、分散式控制、高轨道航天器的相对导航等 ,无一不与GPS息息相关     

基于模糊干扰观测器的空天飞行器轨迹线性化控制

针对一类多输人多输出非线性不确定系统，提出了基于模糊干扰观测器（FDO）的轨迹线性化控制（TLC）方法并应用于空天飞行器（ASV）飞行控制系统设计。利用模糊系统具有以任意精度逼近非线性函数的能力设计FDO对未知干扰和不确定进行估计，并通过鲁棒控制项来提高系统的性能。采用Lyapunov方法本文证明了闭环系统跟踪误差和干扰观测误差一致最终有界。最后利用所提出的控制方案设计了ASV飞行控制系统，仿真结果表明了控制方案的有效性和鲁棒性。     

凸优化算法在有人/无人机协同系统航迹规划中的应用

为更好地发挥多智能体在空战中的优势，以凸优化理论为基础，提出一种有人/无人机协同系统的航迹规划方法。首先，分析协同系统的体系结构和控制流程，建立系统的运动模型。其次，根据协同系统中有人机与无人机的任务特点，分别设计航迹规划器与编队规划器，并在编队规划器中引入协同时空约束条件，进而对两规划器模型进行近似与凸化，利用凸优化算法进行求解。最后，通过对比仿真，验证所提方法的可行性。结果表明，凸优化算法能有效求解航迹规划器与编队规划器的优化模型，并且通过协同时空约束，能有效提高系统的飞行安全性及航迹变换的灵活性。     

高超声速飞行器的抗饱和切换控制

针对高超声速飞行器动力学模型强非线性及飞行过程中系统参数变化剧烈的问题，提出一种根据飞行包线分区并分别建立独立的子系统的切换系统建模方式和抗饱和切换控制方法。通过缩小子系统模型对应的飞行空域，降低系统线性化以及参数变化带来的影响，使得线性控制理论能够应用于高超声速飞行器的控制器设计当中。考虑到飞行过程中可能会遇到的执行器饱和问题，本文在切换系统模型的基础上，为高超声速飞行器设计了抗饱和切换控制器。仿真算例验证了提出的切换系统模型的优越性及抗饱和控制器的有效性。     

三轴飞行仿真转台频带拓宽技术研究

将广泛应用于机器人手臂控制等其它柔性控制系统的输入指令整形减振技术移植到转台应用中,并对输入指令整形器的设计方法、对系统参数变化的鲁棒性进行了探讨和研究,最后以某单轴台控制系统为对象进行了实验,结果表明,输入指令整形器以前馈的形式应用于单轴台的控制系统时,既不影响系统的稳定性,又可以很好地抑制频带拓宽时的机械谐振,而且对系统参数变化具有较高的鲁棒性.此外,因其算法简单,且容易实现和调试,所以可作为拓宽飞行仿真转台频带的一种新途径.