在轨服务的相对运动耦合动力学建模与分析

研究在轨服务航天器逼近与捕获目标航天器的相对轨道姿态耦合动力学建模问题。考虑航天器姿态与对接位置的运动耦合,建立目标运行在任意轨道下的相对轨道姿态耦合动力学模型,并对模型中的运动耦合进行深入分析。设计一种非线性的输出反馈姿态控制律,将建立耦合动力学模型与CW方程进行仿真比较,验证轨道与姿态的运动耦合对两航天器对接点之间相对位置的运动影响。     

绕飞监测小卫星姿轨联合自适应控制研究

针对小卫星近距操作过程中轨道和姿态控制问题,建立了小卫星相对轨道和姿态的误差动力学模型。采用相对轨道和姿态联合控制策略,并考虑小卫星作业过程中质量和转动惯量的不确定性,设计了自适应输出反馈控制律,并证明了其稳定性。最后以对圆轨道目标星近距离环航为例,根据作业任务和姿态指向要求,设计了小卫星相对轨道和姿态的期望运动,应用所提出的控制策略及相应的控制律进行了数值仿真。结果表明,系统跟踪误差能够较快收敛,说明了控制策略的有效性。     

基于对偶四元数的航天器相对位置和姿态耦合控制

针对交会对接、在轨服务等航天任务中存在的轨道和姿态动力学耦合问题,突破传统的轨道姿态分而治之模式,利用对偶四元数建立了相对位置和姿态的一体化耦合动力学模型,并分析了模型中存在的轨道和姿态耦合影响.针对此强耦合、非线性系统,基于对偶四元数的李群结构设计了误差PD（Proportional Derivative,比例微分）控制律,采用Lyapunov（李雅普诺夫）方法分析了控制系统的稳定性,并指出其相比传统的轨道和姿态分别控制方法更有优势.仿真结果表明,该控制方法能够一体化控制航天器的相对位置和姿态,相对位置控制精度在0.01m以内,相对姿态控制精度在0.05°以内,这表明所设计的控制器有效可行.     

RCD太阳帆航天器人工平动点轨道保持与控制

针对航天器平动点轨道保持问题,研究了含有反射率控制设备(RCD)的太阳帆航天器在日地系共线人工平动点处的轨道保持与控制,同时降低因频繁改变航天器姿态所带来的振动问题。首先,基于太阳帆圆型限制性三体问题,计算了RCD型太阳帆人工平动点位置,给出了太阳帆共线人工平动点三阶Halo轨道,并将其作为参考轨道;然后,将太阳帆动力学方程线性化,采用跟踪控制输出的方法对线性模型进行控制;最后,通过合理选择控制变量矩阵,将控制律代入非线性模型中进行轨道保持控制。仿真结果表明,通过控制RCD太阳帆反射率设备参数及姿态角,实现了长时间的Halo轨道保持,同时大幅减小了太阳帆姿态角的改变,从而减小了帆面振动,为太阳帆航天器长期轨道任务的实现提供了良好的理论依据。     

三轴轮控航天器姿态大角度机动控制器设计

研究了飞轮作为执行机构的航天器姿态大角度机动问题。建立了飞轮控制的姿态动力学模型;基于Lya-punov稳定性定理,设计了闭环控制器并给出了参数自适应律的解析表达式;分析了有界噪声作用下该模型的控制效果。仿真结果表明,所设计的控制器具有较强的鲁棒性和抗干扰能力。     

集群航天器相对状态保持多约束鲁棒控制研究

针对集群航天器近距离观测过程中的相对状态保持问题,综合利用人工势场法和滑模变结构控制理论,给出了一种多约束条件下的六自由度鲁棒控制律。首先,利用拉格朗日方法和修正罗德里格斯参数,建立了六自由度相对运动动力学模型,分析近距离观测的任务约束,提出了相应的相对状态保持需求;然后,基于Lyapunov稳定性理论,利用人工势场法设计了相对轨道保持的鲁棒控制律,利用滑模变结构控制设计了相对姿态保持控制律;最后,仿真算例验证了模型和算法的有效性。     

空间飞行器实时仿真多体系统动力学建模

为了解决传统的多体系统动力学模型因必须显式表达多体系统的拓扑构型信息,使得所建数学模型非常复杂而不太适合空间任务级实时仿真的问题,针对具有中心体结构的空间飞行器,采用拟坐标拉格朗日方程推导出简洁的多体系统姿态动力学数学模型,并利用通用仿真平台建立了可实时运行的多体系统姿态动力学仿真模型.在仿真模型上施加测试用极限环控制律,模型输出正常的姿态动力学响应.仿真结果表明,所建模型在模型粒度和运行效率间取得了平衡,满足空间任务级仿真对模型逼真度和实时性的要求.     

敏捷导弹六自由度动力学建模与仿真

研究了敏捷导弹六自由度导弹动力学建模和仿真问题，首先给出了用于拦截器的姿控脉冲发动机和用于空空导弹敏捷转弯的反作用喷气控制系统的力学模型，然后给出了带干扰（包括风的干扰）的具有大迎角大姿态机动能力的敏捷导弹的六自由度动力学模型，最后利用上述模型对先进空空导弹的越肩发射进行了仿真，并给出了部分结果。该模型除了可以进行一般的导弹动力学仿真外，尤其适用于空空导弹敏捷转弯（含越肩发射），高空弹道导弹拦截器的大姿态机动等的仿真计算。     

太阳帆航天器动力学建模与求解

 太阳帆航天器动力学建模与求解是姿态控制与结构振动抑制的基础,具有重要的理论与工程意义。针对带有控制杆和控制叶片的太阳帆航天器,进行结构的合理简化。应用矢量力学基本原理,推导出考虑弹性振动的太阳帆航天器姿态动力学方程,再对其进行简化,分别得到基于控制叶片和控制杆的两类太阳帆航天器的姿态动力学方程,联立太阳帆支撑杆振动方程,结合非约束模态的定义对运行于超地球同步转移轨道的太阳帆航天器动力学方程进行了求解及分析,结果表明所建立的太阳帆动力学模型可准确地描述柔性太阳帆航天器的动力学特性。     

航天器姿态控制系统的退步控制设计方法

研究了航天器的姿态控制问题.考虑了飞轮作为执行机构的姿态动力学模型,应用退步控制理论设计了姿态控制算法.该算法克服了飞轮的电机滞后带来的影响,保证了姿态控制系统对指令信号的跟随.对所设计的控制律进行了数值仿真.仿真结果说明了所设计的控制律的有效性.     

动能拦截器姿轨控发动机开关机控制规律设计

研究了动能拦截器轨控发动机的变推力实现方案,重点设计了姿轨控发动机的开关机控制规律,并通过拦截过程仿真,对所设计的控制规律进行了验证。仿真结果表明,姿控系统可以达到很高的角度控制精度,轨控系统可以控制拦截器与目标直接相撞。这说明所设计的姿轨控发动机开关机控制规律是有效的。     

地球同步轨道薄膜太阳帆的姿态轨道控制方法

薄膜太阳帆（FSS）是集推进、发电和姿轨控功能于一体化的超大型挠性太阳帆式航天器，通过调整薄膜反射率产生可变推力和力矩，实现其姿态和轨道运动控制。结合薄膜太阳帆在地球同步轨道运行时的受力特性进行了轨道漂移分析。通过建立薄膜太阳帆动力学模型及受力模型，提出了调整帆面角度轨道修正方法以及基于薄膜光压力矩角动量卸载的长期在轨对日定向面内双轴动量轮稳定控制方法。通过系统仿真验证表明所提的轨道修正和对日定向控制方法是合理有效的，可使薄膜太阳帆长期在定点位置维持对日定向。     

小卫星主动磁控制地球捕获姿态控制系统设计

分析了小卫星捕获阶段的客观条件要求,重力梯度杆的指向要求,捕获阶段视为大角度机动问题,采用欧拉动力学和四元数方法描述,建立小卫星捕获阶段的动力学模型。控制器采用大角度机动拟 PD控制,拟PD控制器参数采用了简化分析和经验调试设计,同时分析设计了磁力矩器的磁偶极子,最后给出某小卫星姿态捕获仿真结果,经过几个轨道周期后可以实现一定精度的对地捕获,验证了本文的设计方法的可行性。     

共位衍射电磁航天器成像过程中的小推力控制 (新型推进系统控制专栏)

为了满足衍射成像系统在解决低轨遥感航天器覆盖范围小、目标重访周期长等问题的同时,而引入的航天器相对位置、姿态控制需求。针对共位衍射航天器相对位置、姿态控制过程中传统推力器带来的羽流污染问题,本文采用电磁推力器和飞轮作为执行器,设计一种基于快速非奇异滑模的轨道控制器和基于PID的姿态控制器。所设计的快速非奇异滑模轨道控制器为共位衍射航天器频繁位置调整提供控制保障,基于PID的姿态控制器能够消除由电磁力耦合产生的电磁干扰力矩。研究结果表明：基于相对轨道动力学方程设计的快速非奇异滑模控制律鲁棒性好、收敛速度快,能够达到两颗共位衍射电磁航天器沿z轴保持在10m相对距离的控制效果。在轨道调整过程中,其姿态能够通过PID算法稳定控制到期望姿态,使衍射成像结构一直保持不变,从而有效完成衍射成像任务。     

Kalman Estimation and Control of Dual-Spin Satellites

lt is necessary to maintain the spin axis of dual-spin geostationary communications satellites with nontracking ground antennas to within 0.1 degree of the orbit normal by periodic attitude corrections. Normally, the data for attitude estimation are determined from the analog sensor waveforms telemetered to the ground station. This information is supplied to the attitude determination program, which processes the data and outputs the right ascension and declination of the spin axis. An application of the extended Kalman/ filter in estimating the attitude of dual-spin geostationary satellites is presented. The precession of the angular momentum vector by the solar radia-tion torque is considered to be the only natural attitude perturbation. The orbital dynamics are considered to be known and are decoupled from the attitude dynamics. A periodic attitude control policy is then derived.     

一种偏置动量轮在轨维护的变带宽控制方法

针对长寿命运行卫星在轨维护中出现的备份偏置动量轮离散性差异较大,导致俯仰角收敛缓慢的问题,在姿态现象分析的基础上,根据卫星姿态动力学原理,建立偏置动量轮工作模式下的俯仰姿态的PID(Proportion Integration Differentiation,比例积分微分)控制模型,并进行系统开环与闭环传递函数公式推导。然后在伯德图(Bode Diagram)基础上,重点分析相位裕量的敏感参数,给出俯仰姿态控制回路的带宽调整方法,实现变带宽控制。卫星偏置动量轮在轨切换维护的结果表明,通过及时调整PID参数,减小回路带宽,可以有效改善相位裕量,保持卫星控制性能,实现俯仰姿态快速收敛,且俯仰角控制精度优于0.03°,取得较好的应用效果。     

Hybrid control of orbit normal and along-track two-craft Coulomb tethers

The dynamics and stability of a charged two craft formation with nominal fixed separation distance (Coulomb tethers) is studied where the cluster is aligned with either the along-track or orbit normal direction. Unlike the charged two-craft formation scenario aligned along the orbit radial direction, a feedback control law using inter-spacecraft electrostatic Coulomb forces and the differential gravitational accelerations is not sufficient to stabilize the Coulomb tether length and the formation attitude. Therefore, a hybrid feedback control law is presented which combines conventional thrusters and Coulomb forces. The Coulomb force feedback requires measurements of separation distance error and error rate, while the thruster feedback is in terms of Euler angles and their rates. This hybrid feedback control is designed to asymptotically stabilize the satellite formation shape and attitude while avoiding plume impingement issues. The effects of differential solar drag on the formation and the ability of the controller to withstand this disturbance is also studied.     

Novel orbit-attitude combination mode for solar power satellites to reduce mass and fuel

Solar power satellite receives great attention because it can release the energy crisis and environmental problems in the future. However, the launch and maintenance costs are tremendous due to the large system mass and large fuel consumption to counteract space perturbations. To reduce mass and fuel, a novel quasi-Sun-pointing attitude in Sun-frozen orbit is proposed. The Sun-frozen orbit has a nonzero eccentricity vector that always points towards the Sun. The quasi-Sun-pointing attitude is a periodic solution of the Sun-pointing attitude angle. Although about 3 % electricity must be given up because of the variation of Sun-pointing attitude angle, little control action is required to deal with the solar radiation pressure and gravity-gradient torque. The algorithm to obtain initial conditions is proposed. The influences of system parameters and structural flexibilities are studied. Simulation results reveal that the quasi-Sun-pointing attitude in Sun-frozen orbit dramatically reduce fuel consumption, the dry mass, and complexity of the control system. In addition, structural vibration is hardly induced by the gravity-gradient torque. Thus, the bending stiffness as well as the mass of the supporting structure can be reduced.