基于螺旋理论的航天器姿轨耦合分析

针对航天器运动姿轨耦合性问题,对基于螺旋理论得到的航天器运动模型,定性地分析了姿轨耦合特性。采用参数分析法,从模型所包含的耦合项出发,逐次改变各个参数,进而推导出对应的耦合表达式。为了检验耦合性对控制效果的影响,设计了PD 控制律并进行数值仿真。理论分析和仿真结果进一步证明,基于螺旋理论的航天器姿轨模型,其姿态和轨道运动之间是相互影响的,从控制角度而言,姿态运动对轨道运动影响相对更为严重,容易出现了大的振荡,而轨道运动对姿态运动的影响基本可以忽略,为工程实践提供参考。     

航天器非奇异自适应终端滑模姿轨联合控制

为了实现航天器姿态与轨道的同步控制，提出了一种航天器姿态与轨道联合控制的非奇异自适应终端滑模控制律。首先，建立了航天器姿轨耦合运动的对偶四元数模型；其次，提出了一种姿轨联合跟踪控制的非奇异终端滑模控制律，并设计了自适应控制律以改善质量特性不确定性的影响，利用李雅普诺夫函数证明了所提控制律的稳定性；最后，绕飞小行星的跟踪控制仿真算例表明了控制律的有效性。结果表明:所提控制律具有较高的控制精度，能够在有限时间内收敛，仿真过程中不存在奇异点，抑制了质量特性的不确定性对控制的影响，且对滑模的抖振特性有抑制效果。      

基于Krylov子空间法的柔性航天器降阶研究

带大型柔性附件的复杂航天器,其弹性变形通常用有限单元法描述.由于有限元节点坐标数目庞大将会给动力学方程求解和控制策略的实现带来巨大负担,因此对柔性太阳电池阵的动力学模型降阶进行研究.利用单向递推组集推导带太阳电池阵的航天器的刚柔耦合动力学方程,分别采用模态截断法、模态价值分析法和Krylov子空间法对太阳电池阵进行模型降阶,比较不同降阶模型和全有限元模型的动力学仿真结果.仿真结果表明,无论是否考虑大范围运动的影响,采用Krylov方法只需要较低的自由度就可以得到和采用有限元方法完全一致的结果.说明Krylov方法能够有效地降低航天器柔性附件的自由度,提高动力学仿真的效率,便于驱动控制的实现.     

基于先验子图检测的失效航天器SLAM方法

基于激光雷达的航天器位姿估计技术是当前在轨服务研究热点。针对失效航天器位姿估计,将通用的图优化SLAM技术应用到空间非合作目标的研究中。为解决SLAM算法在动态场景中产生累积误差问题,利用失效航天器自身运动特点,提出一种基于先验子图检测改进的SLAM算法。在该算法中,通过激光雷达和惯性测量单元分别采集失效航天器及周围环境的点云数据、服务航天器的运动信息,构建出服务场景下航天器的相对位姿图;再采用先验子图检测方法建立不连续的位姿节点间的约束关系;最后用约束信息对位姿图进行优化。仿真结果表明,相较于通用的SLAM算法的位姿估计,该方法减小了累积误差,提高了相对位姿估计精度,可以为后期的导航、控制等在轨任务提供信息。     

基于TEASER算法的空间非合作目标位姿估计

基于点云的空间非合作目标位姿估计,常受到噪声影响.提出截断最小二乘估计与半定松弛(truncated least squares estimation and semidefinite relaxation, TEASER)与迭代最近点(iterative closest point, ICP)的结合算法,提升空间非合作目标位姿估计精度与鲁棒性.该方法包括粗配准与精配准两个环节：在粗配准环节中,基于局部点云与模型点云的方向直方图特征(signature of histogram of orientation, SHOT)确定匹配对,利用TEASER算法求解初始位姿;在精配准环节中,可结合ICP算法优化位姿估计结果.北斗卫星仿真实验表明：在连续帧位姿估计中,噪声标准差为3倍点云分辨率时,基于TEASER的周期关键帧配准方法的平移误差小于3.33 cm,旋转误差小于2.18°;与传统ICP方法相比,平均平移误差与平均旋转误差均有所降低.这表明所提出的空间非合作目标位姿估计方法具有良好的精度和鲁棒性.     

基于马达代数的交会对接相对位姿测量算法

精确测量追踪航天器与目标航天器之间的相对位姿关系是成功完成航天器交会对接任务的关键。传统的位姿测量算法将旋转和平移分而视之,破坏了三维运动的统一性,同时增加了算法的复杂性和计算难度。针对这个问题,采用双目视觉测量方法,在马达代数框架内,以两个特征光点确定的特征直线为变换基元,统一描述并设计算法测量追踪与目标航天器之间的位姿关系,最终将两航天器之间的相对位姿解算问题简化为求解两个线性方程组。该方法在计算形式上更为简洁,且测量受特征光点的安装位置限制较小。仿真结果表明,算法具有较高的精度和稳定性,可以满足航天器交会对接任务的要求。     

基于普吕克直线的交会对接相对位姿确定算法

为了描述航天器交会对接中的相对位置和姿态测量信息,提出了结合特征线的双目视觉测量以及普吕克直线方程来进行航天器交会对接的相对位姿测量算法。传统算法中航天器的相对位姿是分开测量和计算的,普吕克直线方程则统一描述了两个航天器的相对位姿信息。首先采用双目视觉算法计算得到目标航天器中两条非共面直线在追踪航天器下的坐标值,然后根据普吕克直线方程得到这两条直线在两个坐标系下的相对位姿关系,最后通过采用奇异值分解的方法解算出两个航天器间的相对位姿信息。仿真结果表明该算法不仅实现了位置和姿态的统一测量,而且能够满足航天器交会对接相对位姿的测量要求,验证了该算法的科学合理性与解算快捷性。     

基于θ-D方法的在轨操作相对姿轨耦合控制

针对诸如模块更换、燃料加注等在轨操作任务中的相对动力学与控制问题,建立了描述航天器间近距离相对运动的轨道姿态耦合动力学模型,结合轨道摄动和姿态干扰力矩分析了耦合项对模型的影响。考虑到基于状态相关系数形式模型的非线性和时变性,采用θ-D次优控制算法设计了相对姿轨耦合控制器。以在轨加注任务最终逼近段为背景,针对目标航天器失控旋转的情况进行了数值仿真,仿真结果表明了θ-D控制算法能够实现对相对轨道和姿态的同步控制,简化对控制器的求解并具有较高的控制精度。     

刚弹耦合动力学初值问题拟变分原理及其应用

刚弹耦合动力学在国防和民用经济建设中有着广阔的应用前景,但目前还没有完全成熟的理论研究成果。鉴于此,针对刚弹耦合特性,建立初值问题拟变分原理;应用变分方法,推导拟变分原理的拟驻值条件,即得到刚弹耦合动力学的控制方程;给出刚弹耦合动力学初值问题拟变分原理应用的2个算例,1个是应用控制方程求得自由梁的奇数阶振型的解析解,1个是应用变分直接方法 Ritz方法求得自由梁的偶数阶振型的解析解。研究表明,刚弹耦合动力学初值问题拟变分原理为建立有限元计算模型提供了依据。     

采用变速控制力矩陀螺的航天器姿态跟踪研究

研究了以变速控制力矩陀螺(VSCMG)作为执行机构的航天器姿态跟踪问题.建立了以VSCMG为执行机构的航天器姿态动力学模型, 引入一阶稳定的线性角速度滤波方程, 同时, 根据Lyapunov稳定性定理, 设计了闭环系统的控制律. 利用加权的最小范数解得到VSCMG的姿态控制输入矢量. 提出了表征VSCMG构型的新奇异度量, 在其基础上利用梯度法构建了VSCMG的零运动, 以回避VSCMG的构型奇异, 并使转子转速趋于期望值. 以四陀螺金字塔构型为例进行仿真,仿真结果验证了该算法的可行性和有效性.      

姿态四元数相关问题

介绍了四元数计算中的相关问题,包括四元数与方向余弦阵之间的转换、四元数运动方程、求解四元数运动方程时积分步长的选取和高动态应用中非互易误差的补偿,此外还介绍了对偶四元数的发展。     

轨道要素奇异问题的改进四元数方法

运用四元数方法可以在一定范围内解决描绘飞行器轨道运动时轨道要素的奇异问题。但四元数固有的双值性使得在对运动方程进行积分时,其正负选取很困难。为了解决这一问题,采用了改进约束方程的四元数方法,并用该方法描述了拉格朗日行星摄动方程,然后研究了地球扁率摄动对地球同步卫星轨道的影响。仿真结果表明：当偏心率小于1时,四元数可以很好地解决轨道要素奇异性问题。与改进的春分点轨道要素相比,四元数的方法有着更加明确的物理意义和几何意义,用四元数表示的运动变量方程的计算更为简单,积分计算效率更高,而且其计算误差也能达到精度要求。     

组合式航天器分离后姿态控制器设计

针对组合式航天器分离后惯量矩阵会产生较大变化的特点,提出了一种自适应控制律。利用姿态四元数建立航天器运动学模型,基于Lyapunov稳定理论,用退步控制方法设计了控制律。理论分析表明该控制律可保证系统渐近稳定,仿真结果验证了该控制律的有效性。     

载人航天器生活舱内热湿环境的数值模拟

文章给出了载人航天器生活舱传热传质的数学模型及边界条件 ,对微分控制方程运用基于有限元网格的控制容积法来离散 ,对离散后的代数方程使用欠松弛的高斯 -塞德尔(G -S)迭代法求解 ,最终得到了舱内流场、温湿度场的数值分析结果。     

辛算法的纠飘研究

辛算法较RK(Runge-Kutta)方法,保持辛结构不变或保持哈密顿系统规律性不变是突出的优点,但点态数值精度并不理想.推导出了三阶、四阶辛算法的漂移量计算公式,通过补偿漂移量就能提高点态数值精度,既保辛结构又保证点态数值高精度,适合于工程应用.建立了分数步对称辛算法(即FSJS算法)的纠漂公式,制定了漂移的约束标准.相关算例的数值结果表明:三阶FSJS算法漂移量最小,点态数值精度更高.     

基于MLPG混合配点法的接触问题形状优化

分别介绍了接触问题和MLPG(Meshless Local Petrov-Galerkin)混合配点法的理论基础,推导了相关公式,给出了两种典型接触状态的定解条件,使用二维线性基函数,采用三次样条曲线权函数,通过移动最小二乘法插值,将MLPG混合配点法运用到接触分析中,使用罚函数法添加本质边界条件,对二维弹性接触问题的接触过程进行模拟,反复迭代得到真实的接触情况,建立了一种新的应力-位移非线性数学求解模型,结合遗传算法对实际工程接触问题进行了求解优化,给出优化结果和目标函数变化曲线,并与相关文献结果比较,验证了该方法的有效性.     

基于加性对偶四元数的惯性/天文组合导航算法

为了提高惯性/天文组合导航系统在高动态条件下的导航精度,提出了一种基于加性对偶四元数的惯性/天文组合导航算法.该算法将载体的旋转和平移统一起来,使用螺旋矢量更新对偶四元数,同时补偿圆锥误差和划船误差.推导了组合导航系统基于加性对偶四元数的误差模型和导航参数误差的计算方程;把陀螺仪和加速度计的常值误差扩充到状态变量中,随机误差作为系统噪声输入,利用星敏感器输出参数来校正陀螺漂移,通过卡尔曼滤波对状态变量进行估计.仿真结果表明:在高动态条件下,基于对偶四元数的惯性/天文导航算法的导航精度比传统算法提高2倍多.     

基于非线性干扰观测器的航天器相对姿轨耦合控制

针对带挠性附件的服务航天器在近距离逼近失控目标航天器时的控制问题，考虑由于推进安装偏差导致的姿轨耦合，通过选用相对位置和相对姿态四元数作为状态向量，建立了服务航天器与失控目标航天器的相对位置和姿态动力学方程。考虑服务航天器的挠性附件影响，挠性振动可以视为位置和姿态控制系统微分有界的干扰。基于反馈线性化方法提出了非线性反馈控制律，设计了非线性干扰观测器，用于补偿可建模干扰，并基于所提非线性反馈控制律和非线性干扰观测器设计了复合控制器，其中非线性干扰观测器用于补偿挠性附件产生的干扰。数字仿真及半物理实物闭环验证表明，利用所设计的复合控制器能够有效补偿干扰，同时在对失控目标航天器跟踪时具有很好的鲁棒性。      

Simulation study of motion of charged particles trapped in Earth’s magnetosphere

This article aims to understand the motion of the charged particles trapped in the Earth’s inner magnetosphere. The emphasis is on identifying the numerical scheme, which is appropriate to characterize the trajectories of the charged particles of different energies that enter the Earth’s magnetosphere and get trap along the magnetic field lines. These particles perform three different periodic motions, namely: gyration, bounce, and azimuthal drift. However, often, the gyration of the particle is ignored, and only the guiding center of the particle is traced to reduce the computational time. It is because the simulation of all three motions (gyro, bounce, and drift) together needed a robust numerical scheme, which has less numerical dissipation. We have developed a three-dimensional test particle simulation model in which the relativistic equation of motion is solved numerically using the fourth and sixth-order Runge-Kutta methods. The stability of the simulation model is verified by checking the conservation of total kinetic energy and adiabatic invariants linked with each type of motion. We found that the sixth-order Runge-Kutta method is suitable to trace the complete trajectories of both proton and electron of a wide energy range, 5 keV to 250 MeV for L = 2 – 6. We have estimated the bounce and drift periods from the simulations, and they are found to be in good agreement with the theory. The study implies that a simulation model with sixth-order Runge-Kutta method can be applied to the time-vary, non-analytical form of magnetic configuration in future studies to understand the dynamics of charged particles trapped in Earth’s magnetosphere.