基于反馈摄动的航天器姿态正规矩阵控制

研究三轴稳定的挠性航天器姿态的鲁棒控制问题．由混合坐标方程导出姿态动力学逆传递函数矩阵,并分析其正规性．基于正规性分析结果,使用系统不确定性反馈摄动描述对姿态控制系统的正规矩阵设计方法进行研究．研究结果表明,逆传递函数矩阵可视为正规矩阵,且动力学参数的摄动不影响其正规性．利用这一特性,提出一种适用于航天器姿态控制的正规矩阵设计方法．在该方法中,航天器姿态的鲁棒控制可以通过增加参数约束达成对三轴姿态的独立控制,从而提高设计的可继承性．计算机仿真验证了该设计方法的有效性．     

一种有限推力航天器交会轨道的鲁棒设计方法

基于C—W方程描述的二体相对运动模型,考虑利用范数有界方法刻画航天器交会过程中的参数不确定性,并结合控制推力受限的工程需要,提出了一种在不确定环境下有限推力航天器交会轨道的设计方法。通过构造Lyapunov函数,将此设计问题转化为一个具有线性矩阵不等式约束的凸优化问题,通过求解此问题即可设计出符合航天器交会要求的鲁棒状态反馈控制器。     

一种小卫星绕飞编队的运动学设计新方法研究

在用运动学方法进行小卫星绕飞编队的相对运动分析和轨道设计时，一般假设环绕卫星和参考卫星的升交点赤经差、轨道倾角差和纬度幅角差均为小量，从而对相对运动方程进行近似和简化．但是当参考卫星的轨道倾角等于零或较小时，环绕卫星和参考卫星的升交点赤经差和纬度幅角差并不是小量，此时由于假设条件不成立而无法得到合理的轨道设计结果．针对这种情况，本文提出了一种小卫星绕飞编队的运动学设计新方法．首先对零轨道倾角卫星编队的卫星相对运动方程进行近似简化，得到了以轨道根数差为参数的相对运动方程和卫星编队设计方法，然后通过转移矩阵变换来进行任意轨道倾角的卫星绕飞编队设计，最后通过实例验证了方法的正确性．     

基于状态转移矩阵的航天器多脉冲悬停方法

基于航天器相对运动的状态转移矩阵描述,研究了空间相对悬停的多脉冲控制方法,解决了工程实践中连续推力悬停轨道控制技术对航天器控制推进系统要求较高的难题。给出了两航天器在圆、椭圆和双曲线等圆锥曲线参考轨道上相对运动的状态转移矩阵描述。在此基础上,定性分析了椭圆参考轨道偏心率对悬停精度的影响,推导了航天器多脉冲悬停速度脉冲控制量的计算方法。数值仿真算例显示,该方法可有效实现一定悬停精度要求下的空间相对悬停控制,且随着一个轨道周期内脉冲数的增加,相对悬停的效果得到提升。     

一种改进的巡视器惯性/视觉组合导航模型

在传统的以惯性与视觉相对运动参数差为观测量的惯性/视觉组合导航模型中,为了得到简单的观测矩阵,惯性相对旋转四元数与平台失准角之间的函数关系往往通过近似处理得到。但当航向角较大时,该近似处理的误差很大,不可忽略。为解决该问题,文章提出了一种不需该近似处理的改进的观测量误差分析方法,并建立了改进的观测模型。该方法利用含误差的惯性姿态已知的特点,得到了更精确的惯性相对旋转四元数误差表达式,减少了Kalman滤波中惯性与视觉相对旋转差的状态模型预测误差。月面仿真和地面试验表明该改进方法相比传统方法可实现更高的导航精度,其中位置精度提高达68%。     

一种巡视器惯性/视觉组合导航新方法

在以运动参数误差为状态量、视觉导航与惯导导航相对运动参数差为观测量 的传统惯性/视觉组合导航方法中, 为解决相对运动参数同时与前后两个时 刻状态相关的问题, 采用将前一时刻位置和姿态误差增广到状态量中的方法, 并且假设增广的状态量为常值, 导致状态模型中引入了较大的误差. 基于 真实位置、姿态建立观测量误差模型, 导致观测量同时与前后两个时刻的状 态相关. 本文以惯导误差方程为状态模型, 采用四元数差形式的相对运动 参数差作为观测量, 基于上一时刻组合导航位置、姿态估计值建立观测量误 差模型, 实现了状态的增广, 并使得量测信息仅与当前时刻的位置误差和平 台失准角相关, 克服了状态模型误差较大的问题. 月面仿真和地面模拟实验 均表明, 该方法能够达到较高的位置和姿态估计精度.      

两种空间直角坐标系转换参数初值快速计算的方法

在已知不共线3点在两坐标系下坐标的条件下,提出了两种快速计算两坐标系间转换参数概略值的方法。其中一种是先通过三点构造在两坐标系下的一个新点,将两个坐标系平移到该新点,从而消除平移参数。利用此时的三点坐标可以方便地求得两坐标系间的旋转矩阵,由旋转矩阵可进一步求得旋转角和平移参数;另一种方法是先通过已知的三点构造出一个新的坐标系,通过该坐标系可计算出待求的两坐标系及其旋转参数,从而求得待求两坐标系间的旋转参数。最后,通过旋转参数可计算出平移参数的概略值,并试验验证了两种方法的正确性。     

航天器近距离相对运动的轨迹偏差分析

利用相对可达区(RRD)的概念对航天器在脉冲闭环控制方式下相对运动的轨迹偏差进行了分析。相对可达区是对航天器可能出现位置集合的一种几何描述。当航天器的状态误差服从高斯分布时,相对可达区可表示为随时间变化的误差椭球的集合。考虑航天器飞行过程中存在的不确定性因素,基于闭环控制系统下线性化的相对运动动力学模型,采用协方差分析描述函数法(CADET)对定义航天器误差椭球的协方差矩阵进行了分析,给出了根据协方差矩阵求解相对可达区包络的计算方法。通过将开环和闭环控制系统下的相对可达区包络与1 000次的Monte Carlo仿真结果进行比较,证明了偏差分析方法的适用性与有效性。     

取消垂直铰链的直升飞机旋翼在旋转平面内的弯曲分析

本文给出当直升飞机取消其垂直铰链时,关于旋翼的桨叶在其旋转平面内弯曲的计算方法。这种方法在设计极微型的直升机或飞人时特别有用。 本文系釆用微分方程“选点法”去求解所建立的三个关于挠度的四阶变系数线性常微分方程,再由此所得到的三个矩阵方程经过数值计算,即可将各该矩阵方程之未知参数求出,因而也就得到了旋翼在旋转平面内之挠度及弯矩公式。 为便于不熟习矩阵演算之计算员的计算起见,文末附录中又另外根据克鲁特(Crout)方法将该三个矩阵方程之未知参数用公式表出。设计师只要预先给出各设计参数,任何一个熟练计算员都可顺序将挠度及弯矩公式得出。完全不必直接进行去解微分方程或多元代数联立方程。     

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.     

限制性三体问题共线平动点轨道近似解析解

随着深空探测成为航天领域的研究热点,与其密切相关的三体问题基础研究也日益重要,尤其是在深空探测任务设计中处于基础地位的共线平动点附近运动的研究,更是具有重要的工程应用价值。在圆型限制性三体问题下,对共线平动点附近运动近似解析解的研究已经较为全面,但在更接近真实情况、更具一般性的椭圆型限制性三体问题下,相应的研究却相对较少。针对此背景,参考借鉴圆型限制性三体问题的研究方法,首先根据平动点的特性计算出平动点的位置,然后将非线性三体动力学模型在共线平动点处线性化,最后结合线性系统理论,获得了椭圆型限制性三体问题下共线平动点附近运动的近似解析解,并将其与经典的圆型限制性三体问题下的近似解析解进行对比分析,仿真结果证明了方法的有效性,同时也表明所推导的椭圆型限制性三体问题解析解相比圆型限制性三体问题解析解具有更高的精度。     

卫星编队对空间非合作目标测距相对导航精度分析

针对单颗卫星对空间非合作目标测距不能估计全部相对运动状态的问题,提出利用编队中多颗卫星同时测距相对导航。建立了相对运动状态估计的系统模型;推导了系统可观测矩阵;通过计算系统可观测度和采用无迹卡尔曼滤波（UKF）对目标相对运动状态进行估计,研究了观测矢量方向和数量与相对导航精度的关系。结果表明双星测距能估计全部相对运动状态,观测矢量夹角越大,相对导航精度越高,在编队尺寸远小于目标距离的前提下,多于两颗的卫星测距并不能明显提高相对导航精度。     

航天器相对运动的两点边界值问题解析解

针对无摄椭圆轨道,推导了表示真实相对位置速度的状态转移矩阵,进而推导出了相对运动两点边界值问题的一阶解析解。所得结果不仅可指定转移时间、还可在时间范围内进行全局的燃料优化或在时间和燃料两者间折中;对于周期和非周期的相对运动均适用。仿真结果表明此解的归一化精度达到10^－6。进一步的仿真发现相对转移过程的燃料消耗会随目标轨道偏心率的增加而增加;随长半轴的增加而减少;随初始真近点角的增加呈现周期性变化;随着转移时间增加,燃料消耗的总趋势是减少的。     

用 Clohessy-Wiltshire 方程求解航天员出舱运动轨迹

应用航天器相对运动动力学Ｃｌｏｈｅｓｓｙ－Ｗｉｌｔｓｈｉｒｅ方程,求出方程的分析解,研究航天员出舱后的运动轨迹。其结论可推广到对接航天器分离后的运动轨迹、卫星和运载分离后相对运动轨迹、航天器上抛射物体的相对运动轨迹     

灵巧手主从抓持中的运动映射

抓持规划是灵巧手研究中的关键问题之一,主从抓持是目前较为可行的解决方案.其核心问题是将人手的抓持合理地映射为灵巧手的抓持.以仿人灵巧手为研究对象,提出了从人手到灵巧手的主从运动映射方法,在直角空间内建立了主从运动映射模型.根据人手和灵巧手运动学结构的相似性,提出了主从映射矩阵的简化形式,即通过主从手指尖位置增量的线性比例映射,由人手各指尖的运动独立控制灵巧手对应指尖的运动.通过实验对主从映射结果进行了分析,初步探讨了主从映射应满足的基本要求.实验结果表明,映射所确定的灵巧手的指尖位置基本在其工作空间,从而保证主从运动可行;主从手的运动轨迹较为相似,从而保证了主从控制的简单直观.     

Robust fault-tolerant saturated control for spacecraft proximity operations with actuator saturation and faults

In this paper, the motion control problem of autonomous spacecraft rendezvous and docking with a tumbling target in the presence of unknown model parameters, external disturbances, actuator saturation and faults is investigated. Firstly, a nonlinear six degree-of-freedom dynamics model is established to describe the relative motion of the chaser spacecraft with respect to the tumbling target. Subsequently, a robust fault-tolerant saturated control strategy with no precise knowledge of model parameters and external disturbances is proposed by combining the sliding mode control technique with an adaptive methodology. Then, within the Lyapunov framework, it is proved that the designed robust fault-tolerant controller can guarantee the relative position and attitude errors converge into small regions containing the origin. Finally, numerical simulations are performed to demonstrate the effectiveness and robustness of the proposed control strategy.     

多导弹协同攻击编队非线性最优控制器设计

针对多导弹协同攻击编队控制问题,采用仿射非线性系统最优控制理论设计了基于领弹-从弹法的多导弹编队控制器.首先采用基于微分几何理论的非线性系统精确线性化方法,将导弹非线性运动模型线性化;然后根据从弹、领弹间的相对运动关系,给出了包含领弹运动信息和队形信息的从弹期望轨迹,建立了基于从弹跟踪误差向量的系统状态方程;最后采用基于稳态解的黎卡提矩阵微分方程求解方法解决最优控制问题,设计了从弹的三维非线性编队控制器;仿真结果表明所设计的控制器能够在领弹机动地情况下快速、稳定地实现编队队形的形成和保持.