航天器椭圆轨道自主交会的自适应学习控制策略

 提出了一种在缺少绝对轨道信息时的航天器椭圆轨道自主交会方法。利用Lawden方程描述椭圆轨道下的两星相对运动关系,并将方程中的时变参数单独归类。在假设这些时变参数无法得到的情况下,采用Lyapunov方法设计了椭圆轨道下自主交会的参数估计规则和自适应学习控制律。仿真结果表明,在只有相对状态信息的情况下,估计参数有效地跟踪了真实参数的变化,所设计的控制律能够实现椭圆轨道下航天器的自主交会。     

24小时地球同步卫星过渡段的轨道变化

发射24小时地球同步卫星,一般需经两个阶段,首先将卫星送入过渡段轨道(亦称转移轨道),其近地距离较近,而远地距离与同步轨道一致。在过渡段轨道上飞行若干圈之后,于远地点再一次点火变轨,从而进入同步轨道。关于同步轨道的特征、摄动变化及其位置计算,已在文中详细阐明,本文将讨论过渡段的轨道变化。这一飞行段的定轨问题也是重要的,为了给出必要的信息,以便最后将卫星准确地送入同步轨道,必须使定轨达到一定的精度。过渡段轨道变化的特征这一飞行段的轨道的主要特征是偏心率大。如果用数值方法直接计算卫星的位置,就涉及到变步长问题;而用分析方法研究其轨道变化,将遇到一定的困难(当积分轨道变化方程     

火星探测器飞行轨道设计

在一些基本假设的基础上,初步设计了从地球停泊轨道发射探测器到达火星的飞行轨道。运用圆锥曲线拼接法,设计了采用双共切和单共切两种不同的日心段转移方式时,探测器日心段、地心段和火星中心段的飞行轨道,并分析比较了这两种设计方法的特点。根据限制性二体问题动力学模型,仿真计算了探测器在不同轨道段的飞行轨迹,结果表明,探测器可以按照所设计的轨道飞行到达火星,并被其捕获,成为环绕火星飞行的卫星。     

单OSV服务多卫星的转移轨道优化研究

利用混合法解决了有限推力作用下单OSV服务多卫星的转移轨道优化问题.首先从OSV携带燃料的角度出发,初步筛选出在其服务范围内的服务对象,基于双脉冲交会假设,确定了服务序列以及时间节点;其次针对每一段转移轨道,利用Pontryagin极小值原理推导出最优控制律,设定开-关-开的发动机工作方式,将初始协态变量和开关机时间进行参数化处理,采用遗传算法对非线性规划问题进行求解;最后对整条轨道进行拼接优化.仿真结果表明,混合法对协态变量初值猜测敏感性小,降低了搜索最优转移轨道的难度,且控制轨线光滑.     

火星固体上升器最优推力条件及制导方法

两级固体上升器是大型火星样本回收计划中的重要组成部分，针对固体火星上升器在样品返回任务中的最优动力设计与耗尽关机多约束制导问题开展研究，提出了一种解析-数值融合的入轨段优化方法，最优解析方法为固体动力的优化设计提供理论依据，数值优化方法在理论最优解邻近进一步解决实际飞行中面临的耗尽关机制导问题。首先，为了分析与优化固体上升器最大载荷质量下的动力参数，基于庞特里亚金极大值原理构建了推力矢量方向的最优控制问题，推导出最优动力参数的新的必要条件来消去协态乘子矢量，进而获得了最优控制量的解析表达式。然后，针对上升器在实际飞行条件下面临的参数偏差及不确定性干扰，提出了一种融合最优解析解序列的二次型数值优化方法，该方法通过高效反向递归敏感度矩阵在线快速迭代计算出飞行指令，控制火星上升器在耗尽关机方式下高精度进入预定目标轨道。最后，推力矢量方向的最优解析表达式，通过与GPOPS优化方法的对比与分析，验证了在必要条件下的最优性与正确性，并给出了火星上升器的最优动力方案。数值仿真结果表明：在配置的参数偏差及不确定性干扰下，火星上升器采用所提的解析-数值融合优化方法，能够在耗尽关机方式下实现高精度入轨任务...     

飞船再入制导研究

在配平迎角飞行的合理假设下，建立了描述载人飞船再入飞行段弹道的数学仿真模型。在飞船再入标准轨道设计和再入机动边界计算的基础上，研究了基于标准轨道法的飞船再入飞行制导规律。六自由度飞行弹道的数学仿真证明，设计的制导律能满足飞船再入飞行制导和定点着陆的要求，同时还得到了飞船再入飞行的某些运动规律和一些有益的结论。     

浮升力对双旋转轴间流动换热影响的数值模拟

利用Boussinesq假设，采用混合长度模型，对具有轴向通流的双旋转轴间的流动换热进行了数值研究，得到了轴间气体充分发展段的速度分布、温度分布和加热边的对流换热系数，其结果在实验模型参数范围内与PfitzerH的实验研究符合较好。在此基础上，进一步数值模拟研究了同向等速旋转双轴间不可压流的离心浮升力对流动换热的影响，结果表明：离心浮升力对流动换热的影响取决于浮升力与惯性力之比GrB/Rex^2。当GrB/Rex^2≥24时，浮升力的影响十分显著，不可忽略。     

涡轮冲压组合循环发动机引射过程数值模拟

为了研究气流参数和几何参数对TBCC发动机引射工作过程的影响，基于CFD技术，采用数值求解N-S方程的方法，开展了对TBCC发动机引射工作过程的数值模拟研究。基于TBCC发动机引射过程数值模拟结果的分析，可以发现：随着引射段主流（涡轮发动机排出气流）的进口气流角度增加，总压和马赫数的分布趋于均匀，但是总压损失逐渐增大，因此在TBCC发动机引射段结构设计时，不应使涡轮发动机的排气角度过大。存在一个最小的引射段长度Lmin，当引射段长度小于Lmin。时，随着引射段长度的增加，总压损失显著增大；当引射段长度大于Lmin时，随着引射段长度的增加，总压损失基本不发生变化。     

基于自适应模拟退火遗传算法的月球软着陆轨道优化

 将自适应遗传算法与模拟退火算法相结合，形成一种自适应模拟退火遗传算法。该算法不但具备了自适应遗传算法的强大全局搜索能力，也拥有模拟退火算法的强大局部搜索能力。针对月球软着陆轨道优化的特点，利用一种新的参数化方法将轨道优化问题转换为非线性规划问题，并应用提出的自适应模拟退火遗传算法进行优化。数值结果表明：该算法的收敛速度快，优化精度高，且避免了初值敏感、病态梯度和局部收敛等问题，能够搜索到全局最优轨道。     

空间太阳能电站重力姿态-轨道-结构耦合特性

基于结构小变形假设,将太阳帆塔式空间太阳能电站(SSPS)简化为两端自由的Euler-Bernoulli梁模型,并建立在重力作用下,假设只考虑轨道平面内电站的姿态和轨道运动与结构振动的耦合动力学方程。其受到的重力、重力梯度力矩和广义重力将以其结构尺寸与运行轨道半径的比值为变量进行泰勒展开,并保留至四阶项。通过对其动力学方程的分析发现,当假设只考虑轨道平面内的姿态运动和轨道平面内结构的横向振动时,结构振动对姿态和轨道运动的影响只存在于三阶及其以上的重力和重力梯度力矩中。此外,在重力激励下当电站的结构角频率小于某一特定值时,其结构振动将会出现屈曲不稳定的现象。保证电站结构振动稳定的条件也将在文中给出。为了分析重力激励对结构振动的影响,提出了"等效角频率"的概念。数值仿真表明,当电站结构角频率较低时,重力激励将对电站的振动产生很大影响。而且重力引起的姿态-轨道-结构的耦合作用也将对空间太阳能电站的轨道运动产生较大影响,轨道半径误差能达千米量级。     

基于弹道动力特性考虑的不完全测量数据处理方法

针对试验任务中数据丢失的情况,讨论了如何结合遥测信息,充分考虑弹道动力特性提供样条节点,最终获得目标高精度的位置和速度参数估计的问题。首先,介绍了样条节点的概念及其反映的物理背景;然后,结合遥测数据处理的相应理论,提出了遥测弹道具有充分反映动力特性、保形的特点;最后,结合最优节点搜索方法和节省参数建模理论,运用样条约束的联合处理手段,采用改进Gauss-Newton法求解非线性方程,给出了相应的实测数据处理算例。结果表明,基于靶场现有高精度测量设备的跟踪数据,充分考虑弹道的动力特性,在某些数据丢失的情况下,仍然可以提供高精度弹道参数。相对于传统的融合低精度测元进行数据补偿的方法,文中所介绍方法对提高全程弹道精度具有重要意义。     

某型导弹发射内弹道数值仿真

建立某型潜射导弹的内弹道方程组,对内弹道方程组进行了仿真计算,研究了变深度发射内弹道参数的变化规律及发射深度变化对导弹离筒参数的影响。     

弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮非线性动力学研究

通过引入理想传动的概念,首次给出了弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮啮合力和阻尼力的表示方法,同时也给出了多对齿啮合条件下啮合力和阻尼力产生的扭矩在不同啮合区域内的表示方法,并在此基础上,建立了弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮非线性系统动力学方程。      

Real-time target tracking

This paper presents the basic design and evaluation of a prediction-based controller for real-time object tracking. After a system overview, the trajectory identification and prediction module is studied, presenting a prediction system for non-linear trajectories. The prediction system is based on a set of parallel linear predictors, each of which represents a hypothesis about the target trajectory. The performance of the system is compared to a traditional linear prediction model, showing an improvement of one order of magnitude in the prediction error     

Behavior pattern mining based on spatiotemporal trajectory multidimensional information fusion

Trajectory data mining is widely used in military and civil applications, such as early warning and surveillance system, intelligent traffic system and so on. Through trajectory similarity measurement and clustering, target behavior patterns can be found from massive spatiotemporal trajectory data. In order to mine frequent behaviors of targets from complex historical trajectory data, a behavior pattern mining algorithm based on spatiotemporal trajectory multidimensional information fusion is proposed in this paper. Firstly, spatial–temporal Hausdorff distance is proposed to measure multidimensional information differences of spatiotemporal trajectories, which can distinguish the behaviors with similar location but different course and velocity. On this basis, by combining the idea of k-nearest neighbor and density peak clustering, a new trajectory clustering algorithm is proposed to mine behavior patterns from trajectory data with uneven density distribution. Finally, we implement the proposed algorithm in simulated and radar measured trajectory data respectively. The experimental results show that the proposed algorithm can mine target behavior patterns from different complex application scenarios more quickly and accurately compared to the existing methods, which has a good application prospect in intelligent monitoring tasks.     

弹道式地地导弹精度计算公式及其拟合方法

归纳和总结厂弹道式地地导弹的精度变化规律,根据这些规律和谐波分析理论建立了导弹精度计算公式。文中根据函数逼近理沦,提出了确定谐波函数阶次的方法和具体的拟合步骤。应用这种方法导出了实际导弹的精度计算拟合公式.采用这些公式和采用弹道计算方法分别计算任意相同条件下的导弹精度值.其相对误差小于1%。本文提出的精度计算拟合公式是简便实用的.     

空天飞行器弹道/轨道一体化设计

弹道/轨道一体化设计是解决空天飞行器发射入轨和轨道转移问题的一种全新思路。针对目前存在的空天飞行器弹道/轨道一体化设计问题,通过改进非开普勒轨道方程的方法建立飞行器在连续推力、气动力、引力以及摄动力等多种力作用下的弹道/轨道一体化设计动力学模型;提出基于轨道设计反方法的弹道/轨道一体化设计方法。其创新点主要体现在：通过整合连续推力、气动力、引力以及摄动力等多种作用力达到了统一弹道/轨道模型的目的;提出了基于傅里叶级数形状方法的轨道设计方法,该方法相比于之前的逆多项式法,可以处理带推力约束的轨道设计问题;由于在弹道段采用类似于轨道设计反方法的设计思想设计弹道,使得弹道和轨道两段轨迹的设计方法也达到了统一,致使从模型和设计方法的角度都体现了弹道/轨道设计的统一性,解决了传统分段设计方法是在不同段采用不同的模型和方法,很难体现出一体化设计思想的问题。仿真分析表明本文提出的弹道/轨道一体化设计方法是可行和有效的。     

空间环境对超低轨道卫星轨迹规划的影响

针对超低轨道卫星受空间环境影响显著,对特定目标的轨迹规划难度大的问题,分析了经验大气模型中空间环境参数预报的预报误差以及空间环境参数预报对轨迹规划的影响.在目前空间环境参数预报的误差特性的基础上,建立了轨道控制量和空间环境参数双变量的轨迹评估规划的算法,通过轨迹规划评估后选取最优轨迹规划方案.该算法能够很好地适应空间环境参数的变化,降低空间环境参数预报误差带来的轨道控制风险.目前,该算法已在某超低轨道卫星的轨迹规划中得到成功应用,对需要考虑空间环境因素影响的较低轨道卫星的轨迹规划与控制具有一定的借鉴意义.     

Parameterization and adaptive control of space robot systems

In space application, robot system are subject to unknown or unmodeled dynamics, for example, in the tasks of transporting an unknown payload or catching an unmodeled moving object. We discuss the parameterization problem in dynamic structure and adaptive control of a space robot system with an attitude-controlled base to which the robot is attached. We first derive the system kinematic and dynamic equations based on Lagrangian dynamics and the linear momentum conservation law. Based on the dynamic model developed, we discuss the problem of linear parameterization in term of dynamic parameters, and find that in joint space, the dynamics can be linearized by a set of combined dynamic parameters; however, in inertial space linear parameterization is impossible in general. Then we propose an adaptive control scheme in joint space, and present a simulation study to demonstrate its effectiveness and computational procedure. Because most takes are specified in inertial space instead of joint space, we discuss the issues associated to adaptive control in inertial space and identify two potential problem: unavailability of joint trajectory because the mapping from inertial space trajectory is dynamic-dependent and subject to uncertainty; and nonlinear parameterization in inertial space. We approach the problem by making use of the proposed joint space adaptive controller and updating the joint trajectory by the estimated dynamic parameters and given trajectory in inertial space     

多飞行器动态目标追踪协同控制研究

多飞行器追踪动态目标是一个协同控制问题,需要根据目标飞行状态,协同各个追踪飞行器的飞行状态,最终能够在某动态的最佳点实现同时到达。考虑到目标具有较强的机动性,轨迹通常为非线性的,设计了一种基于非线性轨迹预测的、以剩余时间为控制变量的一致性控制方案。仿真结果表明,提出的控制方案能够实现空间位置相距较远的多飞行器动态追踪,具有较好的灵活性和收敛性,目标轨迹的预测结果与实际轨迹误差较小,恰当的轨迹估计有助于缩短追踪时间,提高追踪效率。