对异面椭圆轨道目标航天器的长期绕飞轨迹设计与控制

研究了绕飞卫星对异面椭圆轨道目标航天器进行长时间绕飞观测的轨道设计与控制问题。首先建立了适用于目标航天器运行在椭圆轨道上的长期绕飞轨迹设计模型;得到了绕飞轨迹以目标航天器为中心且保持封闭的条件。然后,考虑绕飞轨迹安全性和完成任务的相对距离需求,针对具体目标设计了长期绕飞观测轨道。绕飞过程中存在的摄动和误差影响会使绕飞轨迹不能保持封闭,不满足任务需求,为此采用双脉冲方法对绕飞轨迹进行控制。仿真结果表明,对运行在异面椭圆轨道上的目标航天器,所建立的绕飞轨迹设计模型和轨迹控制方法可以用于长期绕飞轨迹设计与控制中。     

多星近距离绕飞观测任务姿轨耦合控制研究

针对多星近距离绕飞观测任务,建立了相对姿态轨道动力学模型,分别考虑了在椭圆、空间圆绕飞轨道上观测卫星的两种期望三角形编队构型,以观测卫星视线始终指向目标为期望姿态,采用基于四元数和角速度误差反馈的比例 微分控制律以及一种改进的基于人工势场法的制导方法相结合,对相对姿态及轨道进行控制。仿真结果表明：在控制律的作用下,绕飞过程中各观测卫星均能够有效地跟踪期望相对姿态和期望相对轨道;在空间圆绕飞轨道构型中,各观测卫星从初始同一位置出发后,在任意时刻3颗观测卫星构成的编队构型始终为正三角形,且正三角形的边长从零逐渐增大,最终等于期望正三角形构型的边长。     

基于长方体禁飞区的安全绕飞轨迹设计

摘要： 以C W方程为基础针对圆轨道近距离双脉冲绕飞问题,研究基于长方体禁飞区的安全绕飞轨迹设计方法.针对双脉冲绕飞动力学模型中的变量进行代数变换,在此基础上对变量间的关系进行推导,证明部分变量在特定区间范围内具有单调性的定理;给出保证绕飞轨迹安全的约束条件,进而结合推导出的定理和安全约束条件得到轨道面内全方位安全绕飞轨迹的一般性设计方法.通过针对以目标器正后方为绕飞起点的两种典型绕飞以及到任意方位的绕飞进行仿真,验证方法的有效性.     

挠性航天器掠飞观测目标时的建模与控制

针对挠性航天器掠飞观测目标时的建模与控制问题,提出了一种期望姿态运动规律解析模型和输出反馈自适应滑模控制律.通过定义期望姿态坐标系,将挠性航天器掠飞观测目标时的姿态指向运动转化为坐标系旋转运动.基于绝对轨道递推,推导出其掠飞观测目标时的期望姿态运动规律解析模型,进而建立了挠性航天器观测目标时的相对姿态动力学模型.在此动力学模型基础上,考虑惯量不确定性、挠性模态不可测和未知有界干扰,基于Lyapunov稳定性原理设计了含有惯量自适应律和挠性模态观测器的滑模控制律,给出了全局渐近稳定性证明.数值仿真结果表明,所建模型和设计控制律是有效的.     

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。      

卫星轨迹跟踪控制的参数化方法

 在卫星轨迹控制系统的状态空间模型的基础上,通过分析卫星的轨道动力学方程,给出卫星轨迹跟踪控制问题的数学描述;基于线性系统的特征结构配置和模型参考理论提出一种卫星轨迹跟踪控制的参数化方法,设计系统的反馈镇定控制器和前馈跟踪控制器。分别进行卫星悬停和绕飞两种指令下的仿真。仿真结果表明,提出的控制方案是行之有效的。     

旋转非合作目标终端逼近的姿轨控制研究

针对旋转非合作目标的终端逼近过程进行研究, 建立了适用于任意偏心率的精 确航天器相对运动和姿态动力学模型, 并对传统的直线型同步自旋逼近策略进行 改进, 设计了用于保障终端逼近安全性的指数衰减型参考轨迹; 推导了基于比例 微分加解耦控制方法的相对轨道和姿态控制律, 通过数值仿真验证了控制器的有效性.      

服务航天器超近程逼近失控目标的建模与控制

为在轨服务任务中实施对失控目标的安全逼近与对接,开展了服务航天器超近程逼近过程的动力学与控制研究。通过引入描述相对运动构型变化的期望相对位置矢量和位置误差矢量,推导了一种新颖的相对轨道误差动力学模型;考虑对接机构安装位置及安装误差,并结合相对姿态动力学模型,建立了逼近过程的相对姿态轨道耦合动力学模型;根据逼近路径约束条件,设计了逼近过程的期望相对位置矢量导引律;基于相对姿态轨道一体化耦合动力学模型,设计了考虑未知有界干扰的自适应时变滑模控制律并利用李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环系统的全局稳定性。仿真结果表明,设计期望相对位置矢量导引律的方法能够实现逼近过程的相对运动构型变化控制,并且所设计的自适应时变滑模控制律具有较高的控制精度。     

近距离星间相对姿轨耦合动力学建模与控制

针对在轨服务过程中近距离星间相对位置以及相对姿态精确控制的问题,考虑相对姿态与相对轨道之间的耦合作用,建立星间相对姿轨耦合动力学模型.提出编队星相对基准星进行接近绕飞的任务需求,给出相对姿态以及相对轨道的期望状态.设计相对姿态轨道联合控制算法对相对姿态和轨道进行联合控制.仿真结果表明,所设计的控制算法能够很好地抑制相对姿态与相对轨道的相互影响作用,最终实现编队星对基准星的精确指向绕飞运动.     

基于自适应动态逆的自动空中加油轨迹跟踪

针对自动空中加油(AAR, Automated Aerial Refueling)的受油机轨迹跟踪控制问题,采用导引环与姿态控制环分离的控制策略,提出了基于非线性路径跟随导引和自适应神经网络动态逆的受油机轨迹跟踪控制方法.该方法将改进的非线性导引应用于受油机横、纵向导引控制,使用自适应神经网络在姿态角速率回路补偿外界干扰和系统模型误差,并利用比例-积分型姿态角速率误差动态方程设计自适应神经网络权值更新律.仿真结果表明:在受油机接近加油机过程中,该方法有效提高了受油机轨迹跟踪控制系统的抗干扰能力和对模型不确定性的自适应能力,能够满足自动空中加油的控制要求.     

基于微小卫星合作博弈的失效航天器姿态接管控制

针对多颗微小卫星接管控制失效航天器姿态运动的问题,提出了一种基于多颗微小卫星合作博弈实现对失效航天器姿态接管控制的方法。首先,面向失效航天器姿态接管控制任务需求,设计了各颗微小卫星的局部目标函数,并在考虑多颗微小卫星与失效航天器所形成组合体的动力学约束、微小卫星控制约束的情况下,建立了多颗微小卫星的合作博弈模型。其次,为实现失效航天器对时变期望姿态轨迹的跟踪,在合理设计期望姿态轨迹的基础上,通过构建组合体增广姿态运动方程,将跟踪期望姿态轨迹的要求描述为微小卫星合作博弈控制问题中的一组约束,并建立了多颗微小卫星控制失效航天器跟踪时变轨迹的合作博弈帕累托最优策略的求解框架。最后,对微小卫星合作博弈控制方法的有效性进行仿真验证,结果表明：该方法能够在不需要进行微小卫星控制分配的情况下,通过多颗微小卫星的合作博弈实现对失效航天器的姿态接管控制。与传统方法相比,这种控制方法可避免进行微小卫星之间的控制分配,能够实现微小卫星能量消耗的全局最优且设计简单便于考虑微小卫星的控制约束。     

基于分段常值的全电推进GEO卫星制导策略

电推进技术因其比冲高的技术特点在GEO轨道转移中应用可大大减少燃料质量，提高有效载荷质量比，延长任务寿命等。针对全电推进GEO卫星入轨的轨迹优化和制导问题，首先利用间接法获得小推力燃料最优GEO轨道转移的数值解，提出一种多项式曲线拟合最优轨迹的方法，多项式曲线形式简单，可作为参考轨道在星上存储和使用。在多项式参考轨道的基础上，建立了一种分段常值推力跟踪参考轨道的闭环制导策略，在常值推力条件下，轨道要素控制量与控制力有解析关系，简化了制导律设计；将多圈轨道转移问题分解为多个单圈轨道优化问题。结果显示，本文提出的分段常值跟踪制导策略跟踪精度高，和最优轨道相比多消耗7%的燃料。本制导策略控制结构简单，易于工程实施。     

基于混合执行机构的敏捷卫星姿态机动控制

单框架控制力矩陀螺(SGCMGs,single gimbal control moment gyros)的奇异问题是其在使用过程中面临的主要问题.将构型奇异度量作为路径约束,采用高斯伪谱法进行轨迹优化,得到一组无奇异框架角,并以相应的SGCMGs框架转速作为开环指令进行控制.考虑初始姿态偏差及外干扰不确定因素的影响故引入反作用动量轮(RWs,reaction wheels),并基于Lyapunov稳定性设计了RWs的控制律进行闭环修正.仿真结果表明,采用混合执行机构能够保证卫星在外干扰等因素影响下,以最优轨迹的SGCMGs无奇异框架转速指令实现对最优轨迹的跟踪.     

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。      

基于非线性观测器的非合作目标姿态跟踪控制

非合作目标的姿态角速度、角加速度未知,给在轨服务航天器跟踪非合作目标姿态的控制器设计带来挑战.为解决这一问题,设计了一种非线性观测器,该观测器能够估计出非合作目标状态,然后构造了基于非线性观测器的姿态跟踪控制器,并证明了闭环系统的一致渐近稳定性.仿真结果表明,设计的方法不仅能够实现非合作目标的状态估计,而且实现了对非合作目标姿态的跟踪.     

基于伪谱法的小天体最优下降轨迹优化方法

针对小天体着陆探测下降阶段的多约束轨迹优化问题,基于Gauss伪谱法进行了燃耗最优下降轨迹优化设计,得出了燃耗最优下降轨迹。建立了小天体下降轨迹优化问题的最优控制问题模型,采用Gauss伪谱法进行离散化,转化为非线性规划问题进行了求解。数学仿真结果显示:优化结果符合各项约束条件,以零速度到达了目标着陆点,且符合燃耗最优的优化目标。利用Gauss伪谱法进行小天体最优下降轨迹优化,计算速度快,求解精度高。     

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。      

线性伪谱模型预测能量最优姿态机动控制方法

针对大气层外飞行器大角度姿态机动控制问题,提出了一种能量最优的线性伪谱模型预测大角度姿态机动控制方法。首先,通过离线弹道规划获得满足初始、终端约束且能量最优的姿态机动控制轨迹;然后,以离线弹道为基准对姿态动力学方程进行小扰动线性化处理,获得以状态偏差为自变量的线性误差传播方程;最后,以能量最优作为性能指标,通过高斯伪谱法对原问题进行离散,推导获得满足终端偏差修正的控制解析表达式。数值计算和蒙特卡罗仿真表明,该方法不仅计算精度高、求解速度快,满足实时计算要求,而且具有较强的鲁棒性,能够实时消除各种干扰。此外,在同等控制精度条件下,该方法相对传统线性二次型调节器（LQR）跟踪方法,能量消耗减小10%。