电磁航天器编队位置跟踪自适应协同控制

通过引入一致性理论针对电磁航天器编队相对位置协同控制问题设计了自适应协同控制器。分析了电磁航天器编队的基本原理,建立了电磁航天器编队相对运动精确的非线性动力学方程。基于电磁力远场计算模型的不确定性,对相对运动动力学模型进行了修正。在电磁力计算模型不确定和航天器间存在通信时延的条件下,对位置跟踪控制的目标设计了自适应协同控制器。考虑到电磁航天器磁矩产生能力的不同,给出了通过优化进行磁矩分配的方案。通过仿真表明:所设计的自适应协同控制器不仅实现了对期望轨迹的准确跟踪,而且相比人工势函数法,暂态维持编队构型的能力提高了4.9倍,并且所给出的磁矩分配方案实现了磁矩的合理分配。     

电磁航天器编队动力学建模与运动规划方法

基于电磁航天器作用原理,利用拉格朗日方法,建立电磁航天器“绳系”动力学模型.基于偏差线性化动力学模型,以切向、径向编队为例,分析编队构型保持稳定性,设计构型保持控制律;将双星电磁航天器编队(EMFF,Electromagnetic Formation Flight)重构运动规划问题转化为标准优化问题,利用高斯伪谱优化方法进行求解.并提出序列控制策略,将该双星模型扩展应用于多星电磁编队构型重构问题,转化为多阶段运动规划问题利用多阶段优化方法进行求解.仿真结果表明本文的动力学建模方法和控制方法是可行的.      

近地轨道集群航天器电磁编队飞行非线性反馈控制方法

针对近地轨道集群航天器电磁编队飞行的动力学和控制问题, 提出了一种非线性反馈控制方法. 基于电磁力模型和地磁场模型, 分析了地磁场对近地轨道电磁编队的影响; 建立了集群航天器电磁编队高精度相对轨道动力学模型; 基于Lyapunov稳定性理论设计了一种非线性反馈控制律, 利用该方法对两星电磁编队维持控制进行了仿真验证. 仿真结果表明, 地磁场引起的电磁干扰力可以忽略, 但是电磁干扰力矩的影响必须考虑; 近地轨道集群航天器电磁编队是可控的, 所设计的控制方法是可行的.      

径向两星库仑编队队形保持自适应控制研究

研究地球同步轨道处径向两星库仑编队队形保持的自适应控制问题.建立了双星库仑编队在地球同步轨道处径向两星库仑编队动力学模型.基于建立的非线性化动力学模型,同时考虑到外部扰动和动力学模型误差等因素,设计径向两星库仑编队在地球同步轨道处的构型保持自适应控制律,并利用Lyapnuov稳定性理论证明系统的闭环稳定性.最后进行数值仿真,并与传统PID控制进行了比较.仿真结果表明提出的自适应控制律响应速度快,稳定性好,编队构型能够收敛到期望值,控制性能明显优于PID控制.     

圆轨道航天器八面体编队构型轨道动力学分析

提出一个全新的八面体航天器编队构型,该构型体现出当前编队飞行多种轨道构型的特征,同时也适于作为空间演示试验的编队飞行模式。八面体编队构型的设计思路是基于C-W方程,轨道平面内沿航向编队构型可利用轨道动力学自然保持,正上方或正下方编队构型则需要依靠平面内控制来实现,垂直轨道平面的编队构型需要施加法向控制来实现。对基于C-W方程的悬停动力学模型进行了精度分析,最后以低轨道航天器的八面体编队构型为例进行了数学仿真验证。     

共线三星库仑编队动力学与自适应控制研究

摘要： 针对地球同步轨道处共线三星库仑编队队形保持的自适应控制问题进行研究,建立共线三星库仑编队在地球同步轨道的非线性相对运动动力学模型,研究仅使用库仑力作为控制力,实现共线三星库仑编队径向静态稳定的控制方案,并在库仑力建模中考虑德拜效应的影响.基于建立的非线性化动力学模型,同时考虑到外部扰动力的影响,设计三星共线库仑编队在地球同步轨道的构型保持自适应控制律,并利用Lyapnuov稳定性理论证明系统的闭环稳定性,进行数值仿真.     

电磁航天器编队悬停鲁棒协同控制方法

针对电磁航天器编队近地轨道悬停问题,提出一种在缺少参考轨道准确信息时的协同控制方法。用TH方程描述航天器间的相对运动,选择与参考轨道同周期的圆轨道为标称轨道。将参考轨道相对于标称圆轨道的偏差、地球非球形引力、大气阻力及其他天体引力等参数单独归类,视其为不确定量,构成不确定系统。通过引入一致性理论,在电磁作用模型和动力学方程均存在不确定性的条件下,针对航天器编队悬停的目标设计了鲁棒协同控制律。考虑能量消耗最优和均衡以及轨道姿态解耦,给出了通过优化进行磁矩配置的方案。仿真结果表明,所设计的鲁棒协同控制律能够实现编队电磁航天器高精度悬停,所给出的磁矩配置方案能够实现磁矩的合理分配。      

基于网络同步的航天器编队飞行姿态控制方法

航天器编队飞行需要协同控制系统进行统一的协调管理,以实现协同工作。文章将网络同步控制理论应用于航天器编队飞行姿态控制,以提高航天器编队飞行姿态控制的协同性。首先,采用修正的罗德里格斯参数描述航天器姿态动力学;然后,基于网络同步控制算法,设计航天器编队飞行的非线性姿态协同控制律;考虑成员航天器间姿态变化的差异,采用混合控制技术,设计航天器编队飞行混合控制策略。仿真结果验证了控制方法和控制律的有效性,并且相比单一反馈机制,混合控制具有更好的控制品质。     

日心悬浮轨道混合推进航天器编队构型保持研究

针对混合推进航天器编队日心悬浮轨道保持控制问题进行了研究.首先推导出在日心悬浮轨道附近的航天器编队相对运动方程，考虑到航天器间距离变化值较小且航天器间距离与航天器到太阳的距离的比值为小量，将其在悬浮轨道附近线性化.基于该线性化方程，设计了一种LQR编队控制方式，该控制方式可通过调节太阳帆的姿态及航天器间库仑力的大小对编队构型进行改变或保持，具有响应速度快和控制简单的特点.最后对控制律进行数值仿真，表明该控制方法能实现编队.     

基于终端滑模的卫星编队飞行有限时间控制

针对考虑参考星机动的编队飞行相对位置控制问题,给出了一种基于终端滑模的有限时间控制方法. 基于编队卫星相对运动动力学模型,设计了有限时间终端滑模控制器,同时证明了该控制器作用下系统状态误差可在有限时间内收敛. 以编队构型重构和考虑参考星机动时的构型保持控制为例,利用本文控制方法进行了仿真分析. 仿真结果表明,基于终端滑模的有限时间控制方法相比于传统的线性滑模控制方法,在保证编队飞行控制高精度的同时,有效提升了误差的收敛速度,验证了该方法的有效性和优越性.      

Connectivity preservation and collision avoidance control for spacecraft formation flying in the presence of multiple obstacles

This paper addresses connectivity preservation and collision avoidance problem of spacecraft formation flying with multiple obstacles and parametric uncertainties under a proximity graph. In the proximity graph, each spacecraft can only get the states of the neighbor spacecraft within its sensing region. Connectivity preservation of a graph means that the connectivity of the graph should be preserved at all times during spacecraft formation flying. We consider two cases: (i) the obstacles are static, and (ii) the obstacles are dynamic. In the first case, a distributed continuous control algorithm based on artificial potential function and equivalent certainty principle is proposed to account for the unknown parameters and the static obstacles. In the second case, a sliding surface combined with a distributed adaptive control algorithm is proposed to tackle the influence of the dynamic obstacles and the unknown parameters at the same time. With the distributed control algorithms, the desired formation configuration can be achieved while the connectivity of the graph is preserved and the collisions between the spacecraft and the obstacles are avoided. Numerical simulations are presented to illustrate the theoretical results.     

Hardware-In-the-Loop Simulations of spacecraft attitude synchronization using the State-Dependent Riccati Equation technique

A nonlinear control technique pertaining to attitude synchronization problems is presented for formation flying spacecraft by utilizing the State-Dependent Riccati Equation (SDRE) technique. An attitude controller consisting of relative control and absolute control is designed using a reaction wheel assembly for regulator and tracking problems. To achieve effective relative control, the selective state-dependent connectivity is also adopted. The global asymptotic stability of the controller is confirmed using the Lyapunov theorem and is verified by Monte-Carlo simulations. An air-bearing-based Hardware-In-the-Loop Simulator (HILS) is also developed to validate the proposed control laws in real-time environments. The SDRE controller is discretized for implementation of a real-time processor in the HILS. The pointing errors are about 0.2° in the numerical simulations and about 1° in the HILS simulations, and experimental simulations confirm the effectiveness of the control algorithm for attitude synchronization in a spacecraft formation flying mission. Consequently, experiments using the HILS in a real-time environment can appropriately perform spacecraft attitude synchronization algorithms for formation flying spacecraft.     

Convex optimisation approach to constrained fuel optimal control of spacecraft in close relative motion

This paper describes an interesting and powerful approach to the constrained fuel-optimal control of spacecraft in close relative motion. The proposed approach is well suited for problems under linear dynamic equations, therefore perfectly fitting to the case of spacecraft flying in close relative motion. If the solution of the optimisation is approximated as a polynomial with respect to the time variable, then the problem can be approached with a technique developed in the control engineering community, known as “Sum Of Squares” (SOS), and the constraints can be reduced to bounds on the polynomials. Such a technique allows rewriting polynomial bounding problems in the form of convex optimisation problems, at the cost of a certain amount of conservatism. The principles of the techniques are explained and some application related to spacecraft flying in close relative motion are shown.     

基于分段常值推力的水滴悬停构型控制策略

针对航天器编队飞行任务对相对运动控制的要求,研究了在分段常值推力控制下航天器受迫绕飞构型的设计与控制问题。首先,基于脉冲控制下的水滴悬停构型,提出了多段常值推力控制实现水滴悬停构型的打靶方程;将打靶方程转化为求解极值问题,采用最小二乘法来求解;分析了一段常值推力可行性。然后,以连续常值小推力控制方程为基础,推导了小邻域定理,分析了近距离相对运动条件下两段常值推力控制的可行性;针对可能出现求解精度差的问题,提出了小推力增量方程来修正精度,并证明在靠近理想解的情况下多次迭代可以趋近于理想解。最后,通过数值仿真实现常值小推力控制下的水滴悬停相对运动。数值仿真结果表明常值小推力控制策略可行,研究成果完善了航天器受迫绕飞构型设计与控制的相关理论,为工程应用提供参考。      

Neural network-based sliding mode control for atmospheric-actuated spacecraft formation using switching strategy

This paper presents an adaptive neural networks-based control method for spacecraft formation with coupled translational and rotational dynamics using only aerodynamic forces. It is assumed that each spacecraft is equipped with several large flat plates. A coupled orbit-attitude dynamic model is considered based on the specific configuration of atmospheric-based actuators. For this model, a neural network-based adaptive sliding mode controller is implemented, accounting for system uncertainties and external perturbations. To avoid invalidation of the neural networks destroying stability of the system, a switching control strategy is proposed which combines an adaptive neural networks controller dominating in its active region and an adaptive sliding mode controller outside the neural active region. An optimal process is developed to determine the control commands for the plates system. The stability of the closed-loop system is proved by a Lyapunov-based method. Comparative results through numerical simulations illustrate the effectiveness of executing attitude control while maintaining the relative motion, and higher control accuracy can be achieved by using the proposed neural-based switching control scheme than using only adaptive sliding mode controller.     

双星跟飞立体成像的构形保持控制

针对强干扰及输出饱和条件下微小双星立体成像的构形保持问题，提出一种基于观测器的抗干扰复合控制策略.根据立体成像双星跟飞运动机理，建立双星相对运动动力学模型；设计了一种自适应干扰观测器，可同时实现系统状态和干扰信息的在线估计，并采用Lyapunov稳定性理论和线性矩阵不等式技术给出观测器存在条件.采用极点配置方法改善观测器系统的动态性能，引入指数衰减因子提高控制器的收敛速度.考虑执行机构的输出饱和特性，提出一种加权PD+LQR反馈与干扰前馈补偿的复合控制策略，能够抑制未知干扰的影响，保证系统的动态和稳态性能，具备双星构形保持控制能力.仿真结果验证了所提算法的有效性.