基于多目标规划的交会对接推力器指令分配方法

将由控制律得到的控制量转化为推力器控制指令的过程称为推力器指令分配。由于交会对接涉及的推力器配置复杂,且对追踪航天器姿轨控精度的要求很高,因此其推力器指令分配问题十分重要。本文针对该问题,分析了基于线性规划的指令分配方法存在的不足,提出了将推力器指令分配问题转化为非线性多目标规划问题,并应用分枝定界法进行寻优的新方法。新方法可以在指令分配的误差和燃料消耗之间进行折衷,并且考虑了推力器最小开机时间的限制。仿真结果验证了新方法的有效性。     

基于最优推力锥的级联推力分配算法

推力分配是推力系统冗余配置时航天器姿态控制系统的必备组成单元.针对传统直接搜索法以及单纯形法在分配过程中在线计算量大、工程实现较难的不足,提出了一种基于最优推力锥的级联分配方法.该算法首先进行无约束分配,搜索出实现目标控制量的准最优推力锥,然后用推力器喷气时间上限对无约束问题的最优推力组合进行饱和处理,更新推力器喷气时间上限,计算当前推力组合的控制误差,并作为下一步的目标控制量,更新推力锥,重复迭代,直至控制误差为0或当前目标量的可行锥不存在.文中以空间站核心舱为例进行了仿真,结果显示:与传统单纯形法相比,该方法能在保持计算量优势的前提下,在目标量可实现时能优化推力组合,精确实现目标量;目标量不可实现时,能在可达集内最大限度地实现目标控制量,充分利用了推力系统的控制能力.     

一种基于模型预测的火星返回推力器容错控制再分配方法

针对火星返回上升器由于环境等因素造成的推力器故障导致的姿态控制系统失稳而难以安全返回的严重问题，提出基于模型预测的动态容错控制再分配方法。根据推力器动态特性建立上升器推力分配模型，对模型参数误差进行实时估计从而修正分配模型，根据模型预测自适应推力再分配方法实施容错控制。同时，将推力器输出限制作为优化求解器的约束，并将推力器故障模型作为优化求解的约束域，实现最小化分配误差和最小化燃料消耗意义下的最优推力再分配。计算机仿真表明了该方法的可行性和实用性，获得了满意的结果，它能使推力器输出推力误差降低60%以上，姿态控制系统能在故障状态下3～5 s快速镇定。     

交会对接航天器推力分配算法研究

如何将期望控制指令动态地分配到冗余配置的推力器系统成为航天器控制算法设计的关键问题之一.针对推力器冗余配置的航天器控制分配问题进行初步探索性研究,提出了一种基于控制分配技术的推力动态分配新方法.首先建立推力分配问题的数学模型,并运用伪逆与线性规划相结合的二次分步优化方法对问题进行求解,且将其应用于以推力器为执行机构的交会航天器轨道与姿态一体化控制问题研究.最后对算法进行开环仿真验证,并采用微小卫星物理仿真平台(MicroSim平台)的推力器配置方案进行交会对接最后接近段的六自由度闭环数学仿真验证.仿真结果表明:所提算法在燃料消耗上优于传统的轨道与姿态单独控制模式.     

考虑负载均衡的过驱动航天器推力器分配方法

以过驱动航天器的推力器控制分配误差最小、推力器负载均衡等为设计目标,构建航天器推力分配混合优化模型,并将其转化为线性规划模型进行求解,提出了一种考虑负载均衡的航天器推力器动态分配算法。该算法在确保分配误差最小前提下,能够降低各推力器的最大分配推力之差,有效均衡各推力器总工作时长和开关次数,进而延长推进系统的整体工作寿命。进一步定义了表征负载均衡性能的推力平衡度和干扰敏感度性能指标,并在此基础上给出了一种分配算法负载均能能力的定量化评价方法。在仿真验证中,采用平衡度和敏感度对算法性能进行定量评估,结果表明该方法在保证控制性能和控制分配误差的前提下,能够有效均衡各推力器最大推力,提高了系统的平衡度和对扰动力矩的鲁棒性。     

失效航天器的姿态机动接管控制

为实现失效航天器寿命延长的目的,采用接管控制技术接管失效航天器姿态控制系统。针对姿态机动接管控制中,失效卫星参数不确定和推力器构型矩阵突变的问题,提出一种基于控制系统重构的失效航天器姿态机动接管控制方法。首先采用指令滤波backstepping控制来重构姿态机动接管控制律,并利用Lyapunov方法分析系统稳定性;然后对推力器构型矩阵进行重构;最后考虑燃料消耗和控制输入受限问题,通过基于约束最优二次规划的动态控制分配算法对推力器推力进行控制重分配。采用本文方法实现了对燃料耗尽航天器和部分执行机构失效航天器的姿态机动接管控制。数值仿真证明了该方法的有效性。     

固体微推力器阵列的推力估计与分配补偿方法

针对固体微推力器阵列(SPMA)中微推力器一次性点火，推力测试中难以获得精确推力的特点，为实现推力在线估计和实时补偿，提出一种利用二次规划对微推力器阵列推力进行估计，同时结合混合整数规划算法进行推力分配的方法，对估计算法收敛性以及控制系统稳定性进行了分析。该方法在不修改控制律的前提下，对推力器推力进行在线估计，并采用推力分配的方法实时补偿推力器出现的推力偏差，对系统稳定性的分析证明该方法可以保证系统的有界稳定。将其应用到微纳卫星编队保持中，仿真结果表明，在微推力器阵列出现推力偏差的情况下，该方法能很好地补偿推力偏差对控制系统造成的影响。     

基于固体微推力器阵列的卫星控制一体化算法

为了使固体微推力器阵列更具实用性,提出了一种适用于一体化控制的推力器布局方法;对基于固体微推力器阵列的推力器姿轨控分配算法问题分别进行了建模,引入了成本概念,保证推力器使用个数最少;将动态规划及贪心策略思想引入到了推力器分配问题求解中,建立了求解数学模型,进行了算法实现;对用于一体化控制中的推力器分配问题以及信息共享问题进行了分析。经过算法分析及仿真验证,该方法能有效快速求解该问题,有利于实现实时控制,能满足一体化控制的要求。     

固体微型推力器应用设计

为了使固体微型推力器阵列应用于微型卫星控制,须要解决推力器的布局设计以及推力器阵列设计问题。提出了一种以正六边形为基元的推力器阵列方法,研究了推力器阵列的特点及规律,进行了应用分析;研究了推力器阵列的最优布局方式,设计了一种基于解耦控制的推力器布局设计,分析了该布局下的冲量和冲量矩的包络面。以正六边形为基元的推力器阵列方式能够满足微型卫星姿轨控的需要,推力器分布规律性强,利于分配算法设计;采用正六面体方式的布局设计,其冲量和冲量矩包络面亦为正六面体。     

指令抗干扰性能研究

本文从分析指令的特性出发,研究了指令在外界干扰作用下的特性,提出了单故障相关指令对的概念,分析了单故障相关指令对的性质,提出了单故障相关指令集生成算法,讨论了不同类型指令在单故障情况下的效应,并作了初步分类,最后提供了部分故障试验结果。