基于航天器复杂动力学模型的鲁棒H_∞振动抑制算法

现代大型航天器柔性越来越大,为了获得更好的姿态控制性能,需要主动振动抑制.鲁棒Η∞是一种正在走向工程应用的控制器设计方法,DGKF解析法,线形矩阵不等式LMI数值法,定阶Η∞范数优化法是3种重要的算法.本文对国际空间站俄罗斯舱的有限元模型提出了振动抑制的Η∞综合问题,分别用3种算法求解鲁棒Η∞控制器.基于DGKF法的全阶次优控制器,存在零极点对消,而基于LMI法的51控制器光滑,能有效抑制零极点对消,但LMI法不是一种优化算法,两种控制器降阶为2阶时,Η∞性能衰退大于80%.基于定阶法的2阶控制器和PI控制器具有与DGKF全阶控制器相近的Η∞性能,鲁棒性分析和扰动抑制的时域仿真验证了上述结论.     

改善航天器反作用轮扰动实验模型参数的辨识方法

反作用轮系统是影响航天器姿控系统精度的主要扰动源之一.建立反作用轮扰动模型的目的是预测扰动对航天器产生的影响,并采取相应的控制方法和隔离系统.基于反作用轮的扰动实验模型,通过对反作用轮扰动实验数据的分析,确定出反作用轮扰动实验模型中的参数:谐波数和幅值系数,并在此基础上提出了能量补偿法,最后进行了数值仿真.结果表明,谐波数的辨识精度不超过0.04%,当采用振幅谱法计算幅值系数时,误差高达15.5%;而用能量补偿法,其幅值系数的精度不超过1.1%.可见能量补偿法提高了幅值系数的辨识精度.本文研究为改善航天器姿态控制精度和稳定度奠定了一定的基础.      

飞轮扰动经验模型参数的识别与改进

对飞轮扰动模型参数的精确识别是研究光学卫星高稳定度、高分辨率成像的基础. 目前, 飞轮的扰动模型识别主要有两种: 经验模型和分析模型. 经验模型需要识别的参数是谐波级数和幅值系数, 而当前存在的参数识别算法忽略了时域截断的影响, 导致幅值系数识别存在较大偏差, 这会引起扰动响应分析的不确定性. 针对上述情况, 提出了窗函数法和与其相关的频域恢复技术, 有效弥补了时域截断的影响. 通过实验仿真结果可见, 该方法大幅度提高了幅值系数的识别精度.      

基于参数矩阵计算全体极小碰集的方法

极小碰集计算是基于模型诊断的关键步骤之一.针对参数化求解方法的局限性,以及大型系统诊断中由于状态空间规模增加导致诊断能力下降甚至无法诊断等问题,研究了一种非参数化极小碰集求解算法M-MHS(Matrix-based Minimal Hitting Set)算法.该算法利用参数矩阵描述元素与集合的关系,通过矩阵分解将原始问题逐步分解为多个子问题,并采用有效的剪枝规则避免对无解子问题的计算.仿真结果表明:该算法能够计算全体极小碰集,且在进行较大规模碰集计算时性能优于HSSE(Hitting Set-Set Enumeration)算法和去参数化后的BNB-HSSE(Branch and Bound-HSSE)算法,并对不同规律数据能够维持性能稳定,从而为大型系统基于模型诊断提供了可行方法.     

基于奇异摄动法的水下机器人串-并联PID控制

针对串级PID控制应用于水下机器人位置、姿态控制时出现的收敛速度慢、抗扰动能力差等问题，提出一种基于奇异摄动法的串 并联PID控制方法.使用时标分解法得到水下机器人的快慢子系统模型，根据奇异摄动法设计串 并联PID控制.以自主设计的水下机器人为基础，使用最小二乘法测定水动力参数.通过仿真与实验证明串 并联PID控制具有更快的收敛速度与较高的鲁棒性.     

地磁场模型简化计算方法

为了实现地磁导航在近地轨道卫星上的应用,需要解决传统的高斯球谐函数递推法在计算地磁场强度时存在方法复杂、计算量大、实时性难以保证等问题.针对上述问题,提出一种用地球磁场估计函数代替球谐函数的地磁场强度计算方法.该方法利用伪地心下的磁偶极子模型代替主磁场模型,通过多项式拟合离线得到高度范围内固定经纬度网格点的伪中心距系数,进而利用插值法和偶极子模型得到任意点的地磁场强度.仿真结果表明,轨道高度为300～500km,经纬度网格间隔为0.5°时,地球磁场估计函数法的导航精度与地球主磁场模型WMM精度一致的同时,降低了计算负担,提高了算法计算效率.      

刚体卫星姿态的有限时间控制

针对刚体卫星的姿态控制问题,设计了不存在和存在扰动力矩两种条件下的有限时间状态反馈控制律.对于无扰动力矩情形,基于非线性齐次系统性质,设计了一种便于工程实践性的连续、非奇异的比例微分形式控制算法,保证姿态闭环系统有限时间收敛到零点,而且此算法能直接推广到卫星姿态跟踪问题.对于存在扰动力矩的情形,基于有限时间Lyapunov定理设计的连续、非奇异的控制力矩保证卫星姿态和角速度在有限时间内收敛到原点附近的邻域.当外扰力矩为零时,此控制律使闭环系统状态有限时间收敛到平衡点.数学仿真结果说明了提出的控制算法有效.     

颤振主动抑制系统鲁棒控制律初探

应用鲁棒稳定性理论，对颤振主动抑制系统进行了分析研究，通过分析和计算气动弹性闭环系统回郑矩阵的最小奇异值，判定系统的稳定性系统抗扰动的不灵敏特性。文中以一小展弦比机翼／外挂颤振主动抑制系统模型为例，进行了分析和计算。并应用约束变尺度法，对控制律重新进行了综合优化设计，使得该系统的稳定裕度，抗扰动的不灵敏性及低速稳定性有所改善。     

无线传感器网中的加权距离节点选择法

节点选择存在于无线传感器网的目标跟踪问题中,主要任务是从多个传感器中选取合适节点跟踪当前目标,满足跟踪精度、算法计算量的要求.提出一种适用于测角传感器节点的加权距离选择法,该算法利用目标状态预测的分布及节点的探测模型,通过计算节点距目标几何距离及加权系数,选择具有最小加权距离的传感器点进行探测,避开了贝叶斯滤波,在减少计算量的同时具有很好的选择精度.仿真结果表明,本算法大幅度减少了计算量,同时可达到和熵值法相当的跟踪定位效果.      

一种基于基准优选的双目视觉位置解算方法

针对近距离空间非合作目标相对位姿测量任务需求,基于双目视觉原理建立了特征点位置测量模型与误差分析模型,分析了特征点位置解算奇异及奇异点附近位置解算误差过大的问题,提出了一种采用异面光轴配置和基准优选策略的双目视觉特征点位置解算方法。该方法通过错角安装相机光轴防止特征点在两个相机基准下进行位置解算时同时发生奇异,针对不同基准在测量域内误差分布的差异,建立了基准优选策略和相应的面向特定测量域的基准优选指标确定方法,从而获得了高精度测量结果。仿真结果表明,采用所提出的方法解决了特征点位置解算奇异问题,提高了测量域内特征点位置测量精度。     

基于曲面拼接的球面全景生成算法

提出一种基于曲面拼接的球面全景自动生成算法.该算法包括球面投影、图像空洞消除、全局光强校正、图像匹配与缝合等关键步骤,实现了以固定视点为中心的4π立体空间内全方位场景观察.重点研究了水平和垂直方向的球面投影,完整保留了投影点空间信息,避免了因信息丢失造成的视图严重变形,甚至在两极无法展开的问题;采用"反算"插值的方法,解决了投影过程中因坐标离散化造成的图像走样及空洞现象;提出"分散全局累积误差"方法,对光照变化强烈的图像序列进行光强校正,克服了以往算法只对相邻而非全局图像进行光强调整的限制;利用基于特征的方法在曲面上对图像进行匹配和融合,生成视点空间内无缝平滑的球面全景图像.整个算法自动完成,光照鲁棒性强,拼接效果好,具有较高的应用价值.      

双小行星系统引力场建模方法研究

针对弱引力双小行星系统的引力场建模问题,本文采用复杂度和精度依次递增的球体–球体模型、椭球体–球体模型和改进的限制性椭球体–椭球体模型来进行引力场建模,并分别采用椭圆积分以及无积分环节、计算效率高的二阶二次球谐函数来表征引力势,从而比较精确地刻画双小行星系统和探测器构成的限制性全三体问题的动力学模型;针对双小行星系统1999KW4,对其不同的引力场模型进行了仿真研究,分别给出了不同模型下的等效势能函数曲面及零速度曲线,比较了不同模型下的平动点位置坐标偏差。结果表明,二阶二次球谐函数计算引力势的椭球体-椭球体模型计算精度高,复杂程度低,计算量更少,计算速度更快,能够较精确的对双小行星系统进行引力场建模。     

一种基于凝固地理系的捷联惯导极区导航算法

针对传统惯性导航系统机械编排在极区导航存在无法定位定向问题，提出了一种基于凝固地理系的捷联惯导极区导航新方案。该方案在极区内采用相对于原点三轴位置代替传统的经度、纬度、高度导航，导航计算不存在奇点。给出了凝固地理系捷联惯导系统的机械编排，推导了该坐标系与地理坐标系之间位置、速度和姿态信息的转换关系。仿真分析表明：凝固地理系可以解决现有机械编排在极点附近无北向基准所引起的问题，导航参数连续并且无原理性误差，可以满足飞机在极区飞行时的需要。     

基于多矢量定姿的动基座最优化对准算法

针对车载捷联惯导系统（Strapdown Inertial Navigation System, SINS）的传统动基座粗对准方法精度低且环境适应性差的问题，提出了一种基于多矢量定姿的动基座最优化粗对准算法。在传统的基于重力矢量的初始对准方法基础上，将姿态矩阵求解问题转化为Wahba问题，实现对多个时刻重力矢量信息的充分利用，并通过SVD算法实现对Wahba问题的求解，结合全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System, GNSS）输出信息和SINS输出信息，构建状态方程和量测方程，采用Sage-Husa自适应滤波算法以解决量测噪声不准确问题，不断修正载体系变换矩阵以获得更加精确的姿态转换矩阵。仿真和半物理实验表明，改进算法能够明显提高惯导系统在动基座下的姿态精度，转台实验对准方位误差小于0.05°。     

Modelling studies of ionospheric convection in northern and southern polar regions

The realistic model of Quegan et al. has been used to investigate the convection paths of ionospheric plasma at 300 km altitude, for different polar cap radii and in both hemispheres. Taking the Northern magnetic dip pole to be at a co-latitude of 11° and the Southern magnetic dip pole at a co-latitude of 23°, these paths are presented in a Sun-Earth frame, with the position of the Earth's axis fixed as it is on 21 March, as polar plots centred on the magnetic pole. There are marked hemispheric differences between 13 and 23 L.T., particularly near the stagnation region at 18 to 21 L.T., but only minor differences between 00 and 12 L.T., when the radius of the polar cap exceeds 12°. For a smaller polar cap, the differences between the hemispheres are small at all local times. The time taken to perform a complete circuit is most dependent on the polar cap radius, and most variable - between 15 and 36 h - for convection paths starting near 60° latitude. The time that plasma convecting from noon to near midnight across the Northern polar cap spends within the 10° co-latitude circle increases from 6 h, for a polar cap radius of 10°, to 11.5 h at 17°. These results are compared and contrasted with other model calculation results and with some ground-based and satellite observations of plasma densities at high latitudes.     

An alternative computation of a gravity field model from GOCE

GOCE is the first satellite with a gravitational gradiometer (SGG). This allows to determine a gravity field model with high spatial resolution and high accuracy. Four of the six independent components of the gravitational gradient tensors (GGT) are measured with high accuracy in the so-called measurement band (MB) from 5 to 100 mHz by the GOCE gradiometer. Based on more than 1 year of GOCE measurements, two gravity field models have been derived. Here, we introduce a strategy for spherical harmonic analysis (SHA) from GOCE measurements, with a bandpass filter applied to the SGG data, combined with orbit analysis based on the integral equation approach, and additional constraints (or stabilization) in the polar areas where no observation is available due to the orbit geometry. In addition, we combined the GOCE SGG part with a set of GRACE normal equations. This improves the accuracy of the gravity field in the long-wavelength parts, due to the complementarity of GOCE and GRACE. Comparison with other models and with external data shows that our results are rather close to the GPS-levelling data in well-selected test regions, with an uncertainty of 4–7 cm, for truncation at degree 200.     

Groebner基方法在LEO卫星网络路由优化中的应用

卫星网络中的服务质量(QoS,Quality of Service)多目标约束路由问题已被证明是一个非确定性多项式完全(NPC,Non-deterministic Polynomial Complete)问题.根据低轨(LEO,Low Earth Orbit)卫星网络拓扑变化有规律、可预知的特点,将Groebner基方法引入满足QoS多目标约束的路由算法中,应用算法前将QoS多目标约束问题转化为单目标约束问题,使它能够被多项式的最短路径优先(SPF,Shortest Path First)路由算法求解,从而通过Groebner基方法解决QoS多目标约束路由问题,保证了QoS参数的有效性.最后,将所提出的算法与启发式算法和最短路径优先算法进行了仿真比较.仿真实验结果表明,Groebner基方法有效降低了星上计算的难度,比传统方法能提供更好的QoS保证.     

一种基座姿态可控空间机器人的通用避奇异算法

针对基座姿态可控空间机器人笛卡儿路径规划中的奇异问题，提出了一种通用的运动学奇异回避算法。通过虚拟机械臂的方法建立空间机械臂的雅可比矩阵，实时判断雅可比矩阵行列式的值与角速度的关系确定奇异区，采用Newton-Raphson迭代法进行逆运动学求解，并设计了一种“微分项提取+二次拟合”的分段路径规划算法应用于奇异回避，直至关节角脱离奇异区。仿真结果表明:所提算法能够有效回避奇异，适应各种自由度与构型机械臂，调节计算时间与跟踪精度之间的关系，具备较好的通用性。