椭圆轨道非线性相对运动模型的周期解与应用

在长期的航天器编队飞行中传统的基于线性相对运动模型设计编队保持轨道的方法会引起较多的燃料消耗.首先采用摄动法解析地求得了考虑二阶非线性项时椭圆轨道相对运动模型的周期性条件和周期解;然后以此周期解为参考轨道设计了基于Lyapunov稳定的PD保持控制律.仿真结果表明:基于椭圆轨道非线性相对运动模型的周期解较基于椭圆轨道线性相对运动模型的周期解,精度明显提高;以前者为参考轨道的保持控制与以后者为参考轨道的保持控制相比,燃耗明显降低.     

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。     

一种翻滚非合作航天器抵近绕飞避障轨迹规划和跟踪控制方法

针对空间无人在轨服务任务中翻滚非合作航天器抵近、绕飞和避障问题，在目标特征部位本体坐标系，建立了轨道和姿态相对运动模型.设计了抵近和绕飞策略，以抵近轨迹的燃料和时间最优为目标函数，考虑规避障碍物情况，结合动力学和路径等约束条件进行轨迹规划，最后采用高斯伪谱法对连续最优控制问题进行离散转化，对转化后的非线性规划问题进行求解，得出最优路径.同时基于轨道和姿态协同的六自由度轨迹跟踪误差模型，设计了全状态反馈轨迹跟踪控制律，在相对运动姿态和轨道模型的基础上，对控制过程进行了闭环仿真验证，结果表明了姿轨耦合轨迹跟踪控制律的有效性和稳定性.     

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。     

故障模式下的空间交会防撞设计

  针对轨道平面内某一方向发动机失效的情况,利用控制力的耦合效应,设计了航天器轨道转移的控制律。利用碰撞概率分析航天器发生碰撞的可能性,并结合燃料消耗选择一条碰撞概率小于给定的警戒值且燃料最优的转移轨道。最后通过仿真验证了发动机失效情况下的主动防撞机动控制律的有效性。     

遗传算法在编队卫星群轨道机动中的应用分析

卫星群机动是航天器发展的一个方向.针对编队卫星群的Lambert机动问题,采用Gim-Alfriend矩阵建立了包含中心轨道根数和摄动项的群卫星的相对运动模型,设计了转移轨道上的卫星群队形协同保持的脉冲控制策略.应用遗传算法对编队卫星群轨道机动问题进行了优化,优化指标分别为卫星群协同变轨过程中总燃料消耗最少或燃料均衡分配最小.分析了群机动过程中燃料消耗的影响因素.算例结果表明遗传算法可以很好地应用于编队卫星群机动问题.     

椭圆轨道卫星编队飞行的最优控制研究

研究了椭圆轨道卫星编队飞行的队形保持问题,设计了李雅普诺夫(Lyapunov)控制律,并用遗传算法对控制律进行了优化。为克服遗传算法局部寻优能力差的缺点,对遗传算法进行了改进,设计了自适应模拟退火遗传算法。仿真结果表明,采用Lyapunov方法进行队形保持能提高位置保持的精度,且在经过遗传算法优化后,所消耗的燃料基本与线性二次型(LQR)方法一致;同时,减少了计算时间,有利于星上计算机的实现。     

近圆轨道卫星编队捕获技术研究

基于近圆参考轨道的假设,研究处于同一入轨点多颗卫星的编队捕获方法.首先由高斯型拉格朗日轨道摄动运动方程得到轨道坐标系中控制冲量与轨道根数偏差的关系,基于近圆轨道的条件简化并带入相对运动方程,得到控制冲量与相对运动的关系表达式;通过深入分析各个方向(径向、沿迹向与轨道面法向)的控制冲量对相对运动的影响,给出了分别用径向与轨道面法向控制冲量组合和沿迹向与轨道面法向控制冲量组合实现编队捕获的两种控制策略;最后给出了一个空间圆编队捕获实例,并从燃料消耗、施加冲量次数及捕获时间等角度对比研究了两种控制策略的特点.仿真结果表明,这两种控制策略简单、实用,能够较好地解决近圆轨道卫星编队的捕获问题.      

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。      

时间与燃料约束的参数自主寻优变轨滑模控制

航天器相对运动轨控采用滑模控制具有较好的抗扰能力，但参数设置复杂。为贴近工程实际，引入燃料最优约束和寻优算法，提出一种综合考虑时间、燃耗以及误差的参数自主寻优滑模控制。首先，基于线性相对运动方程与指数趋近的滑模控制，建立相对运动滑模控制器模型，并由能量最优的轨迹规划器给出收敛约束时间，实现高效机动；然后，分析滑模控制器中可调参数与时间、误差的约束条件，制定了参数量级寻优规则；最后，通过惯性权值改进的粒子群算法，将误差允许范围内的最少燃料消耗作为寻优评价标准，输出最优量级与系数组合的控制参数，实现滑模的最优控制。仿真表明，使用粒子寻优器得到的参数组合，可使滑模偏差控制器在规定时间内通过最小燃料消耗令位置与速度误差稳定收敛，增加航天器在轨寿命。     

非合作目标的自主接近控制律研究

主要研究了针对非合作航天器的自主交会和拦截两种接近模式的控制律。根据非线性相对运动方程,采用李雅普诺夫(Lyapunov)方法设计了自主交会的控制律;并对该控制律进行了改进,使其适用于拦截模式,能以一定的相对速度接近目标。同时针对非合作目标存在机动的情况,采用Lyapunov最小-最大方法设计了自主接近的控制律。仿真结果证明了基于Lyapunov方法的自主接近控制律的有效性。     

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.     

利用气动力的大气制动过程中近心点高度控制

针对大气制动轨道转移过程中出现的近心点下降问题,给出了一种利用气动力实现近心点高度控制的方法.设计了以倾侧角为控制变量的大气内飞行控制律,并参考相关星际探测任务进行了仿真验证.通过改变倾侧角调整气动力在高度方向上的分量来实现对制动轨道近心点高度的控制,并根据当前近心点高度与预定近心点高度自动调整反馈增益.在整个大气制动过程中本方法无需燃料消耗即可有效地限制近心点下降并最终减少下降量,同时使飞行过程中的最大动压和最大热流密度逐渐降低,保证了航天器的安全.      

基于螺旋伴飞式航天器交会控制技术

首次提出以螺旋伴飞式实现航天器交会的思路.在两航天器符合绕飞条件的前提下,从相对运动的Hill方程出发,首先推导出实现螺旋伴飞式交会的相对位置反馈控制律,这种相对位置反馈控制表明,航天器在交会过程中可以在只有相对位置测量条件下进行工作,因而具有一定的工程指导意义;进而,对螺旋伴飞式交会控制律的特点进行了分析,同时给出了稳定性分析与能量估算,分析表明这种交会控制技术,其控制具有较好的稳定性,且消耗能量较小;最后,通过一个空间圆绕飞轨道的伴星回收实例,给出了控制加速度的特性图和螺线回收轨迹图.仿真结果证明,伴星螺线回收轨道是可行的,并且具有优良的特性.      

GEO卫星快速发射入轨定点控制方法

提出了一种GEO卫星快速发射入轨定点方法,运载火箭将卫星发射进入GTO轨道后,由上面级或卫星自身在48h内快速定点到GEO轨道任意指定定点位置。考虑时间、测控等约束,在选定变轨策略基础上,以燃料消耗最小为目标,优化给出了快速入轨定点标称轨迹。采用无奇异的春分点根数描述轨道运动,基于最小二乘法给出了航天器在有限推力条件下变轨的闭环显式制导方法,控制航天器沿标称轨迹飞行。仿真算例表明,采用该变轨策略、轨道优化设计方法和制导律,可以完成GEO卫星快速入轨定点控制。     

空间交会停靠的变结构控制

介绍空间交会对接中的接近段采用的变结构控制方法。变结构控制中滑动模态的设计很重要，比较常见的滑动模态设计为状态变量的线性关系。根据相对运动方程的特点，设计了非线性的滑动模态，并对其稳定性作出了证明；还对变结构控制方法和经典的PID控制方法进行了比较，变结构控制比PID控制的控制精度差，但是燃料消耗要少。     

共面伴飞相对运动椭圆相位最省燃料控制问题

针对伴随微纳卫星资源受限,轨控需实现最省燃料控制的现实问题,基于Hill方程和二元函数极值理论,研究了共面编队伴飞卫星的最省燃料相位控制策略。分析结果表明：当需要改变的相位为锐角、ΔV<05nb横向控制对相对运动椭圆相位改变效率最高,ΔV=05nb|cosΘ|控后相位为相对运动椭圆左右点,同时将相对运动椭圆短半轴控小;以伴随卫星绕参考卫星共面伴飞相位控制为例,应用这一理论求解了控制策略。     

月球精确软着陆李雅普诺夫稳定制导律

为实现在月球表面期望的着陆点进行精确软着陆,以月球精确软着陆三维球体非线性轨道动力学模型为基础,采用李雅普诺夫直接法,构造了基于能量的李雅普诺夫函数,设计了跟踪收敛滑动模态的精确制导律,并通过李雅普诺夫稳定性理论证明了该制导控制律的全局指数稳定性,给出矢量推力实现方法.仿真表明,该制导方法能够满足月球精确软着陆的需要.     

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。