电磁航天器编队动力学建模与运动规划方法

基于电磁航天器作用原理,利用拉格朗日方法,建立电磁航天器“绳系”动力学模型.基于偏差线性化动力学模型,以切向、径向编队为例,分析编队构型保持稳定性,设计构型保持控制律;将双星电磁航天器编队(EMFF,Electromagnetic Formation Flight)重构运动规划问题转化为标准优化问题,利用高斯伪谱优化方法进行求解.并提出序列控制策略,将该双星模型扩展应用于多星电磁编队构型重构问题,转化为多阶段运动规划问题利用多阶段优化方法进行求解.仿真结果表明本文的动力学建模方法和控制方法是可行的.      

太阳帆航天器编队维持和重构的方法研究

针对高面质比航天器可以利用太阳光压进行轨道控制的特点,本文提出一种太阳帆航天器编队构型维持和重构的方法.该方法通过控制主从航天器太阳帆姿态角和反射系数,调整主从航天器之间的光压差,产生抵消编队成员间相对运动受到摄动差或进行轨道机动时所需的连续小推力,从而实现编队构型的维持和重构.仿真结果表明,在主航天器太阳帆的姿态角和反射系数相对固定的条件下,对于太阳同步轨道上的高面质比太阳帆航天器编队,使用滑模控制方法,能够调整编队中从航天器太阳帆的姿态角和反射系数产生推力抵消摄动力影响,达到长期维持太阳帆航天器编队构型的目的;通过开环控制方法,能够调整编队中从航天器太阳帆的姿态角和反射系数产生连续小推力,在较长时间周期内实现编队重构.     

日地平动点编队飞行自抗扰轨道维持控制

对日地平动点附近的航天器编队控制问题进行研究,为解决基于局部线性化模型设计轨道保持控制器时存在的控制精度不高、模型精确性过度依赖等问题,提出基于圆型限制性三体问题的日-地/月系统L_2点附近主从式航天器编队飞行的相对位置控制问题的解决方法.将主航天器设定在Halo轨道上,从航天器利用自抗扰控制方法控制在主航天器周围,编队系统内的未知动力学和外部扰动由扩张状态观测器获得,并利用非线性误差反馈对其进行补偿.数值仿真结果显示采用0.1μN到10 m N的控制力即可使航天器相对位置误差控制在位置精度要求范围内,同时在存在未知干扰的情况下该方法依然具有很好的鲁棒性,从而验证优越性.     

编队卫星防碰撞规避路径规划方法与控制研究

针对编队卫星在构型重构和构型失效重组时发生碰撞可能性最大的两种机动工况,采用数学规划的方法对其进行防碰撞规避准则、规避策略和控制方面的研究;并通过系统可控性证明出无径向推力相对于全向推力,也可以达到目标相位点只是燃料消耗得多。对编队构型失效重组工况中备份星机动前停泊位置,进入编队位置选择和启动时刻选择以及故障星离开编队后,目标轨道确定等问题通过数学仿真的形式予以解答。仿真结果表明,该研究方法真实可信、简便有效。     

近地轨道集群航天器电磁编队飞行非线性反馈控制方法

针对近地轨道集群航天器电磁编队飞行的动力学和控制问题, 提出了一种非线性反馈控制方法. 基于电磁力模型和地磁场模型, 分析了地磁场对近地轨道电磁编队的影响; 建立了集群航天器电磁编队高精度相对轨道动力学模型; 基于Lyapunov稳定性理论设计了一种非线性反馈控制律, 利用该方法对两星电磁编队维持控制进行了仿真验证. 仿真结果表明, 地磁场引起的电磁干扰力可以忽略, 但是电磁干扰力矩的影响必须考虑; 近地轨道集群航天器电磁编队是可控的, 所设计的控制方法是可行的.      

编队飞行航天器平均轨道根数非线性控制研究

基于非线性动力学模型,研究了环绕编队航天器的相对运动控制问题,介绍了一种基于平均轨道根数的航天器编队飞行非线性闭环控制方法。以航天器在惯性坐标系下位置速度向量误差为输入量,给出了一种全状态反馈控制律,利用Lyapunov方法证明该闭环系统是渐进稳定的;最后利用该方法对一个编队进行控制,仿真结果表明了该控制方法的可行性。     

基于终端滑模的卫星编队飞行有限时间控制

针对考虑参考星机动的编队飞行相对位置控制问题,给出了一种基于终端滑模的有限时间控制方法. 基于编队卫星相对运动动力学模型,设计了有限时间终端滑模控制器,同时证明了该控制器作用下系统状态误差可在有限时间内收敛. 以编队构型重构和考虑参考星机动时的构型保持控制为例,利用本文控制方法进行了仿真分析. 仿真结果表明,基于终端滑模的有限时间控制方法相比于传统的线性滑模控制方法,在保证编队飞行控制高精度的同时,有效提升了误差的收敛速度,验证了该方法的有效性和优越性.      

计算机生成航空兵力编队能力的实现

计算机生成兵力系统中的兵力应具有协同能力,其中,作战单位内的实体应能实现组成编队及队形保持的能力。对于自由度多、高速运动的空中飞机来说,编队飞行能力的实现则要困难一些。编队飞行的仿真问题主要指编队定直飞行的队形保持和转弯时的队形保持。为实现编队定直飞行的队形保持,采用了一种新的编队模型;此外为了让僚机快速进入规定的编队位置且保留在该位置处,还采用了包括时间最短的最佳控制在内的３项措施。为了让飞机编     

空间碎片环境工程模式参数分析

为了评估空间碎片对航天器造成的危害 ,必须建立空间碎片环境工程模式。文章介绍了空间碎片环境的特点及其工程模式表征方法 ,并比较、分析了几种主要空间碎片环境工程模式的参数 ;从数学建模及风险评估应用的需求出发 ,提出了空间碎片环境工程模式参数的建议方案     

空间碎片能量转化利用技术

针对目前空间碎片问题，提出空间碎片发动机概念，立足于使用捕获到的空间碎片，转化为发动机可用的推进剂。在完成碎片清理目标的同时，获得可持续的动力来源，延长清理器的工作寿命。针对空间碎片制粉的方法进行研究，提出使用球磨仪对金属样本进行研磨。使用转刀式粉碎机对非金属材料进行粉碎。通过实验发现，多数粉末粒径达到微米量级。针对空间碎片粉末推进方式进行研究，提出使用静电加速推进方式对粉末进行加速。空间碎片发动机虽然起源于空间碎片清理任务，但是可持续的推进剂供应，也将为小行星探测等任务提供更好的思路。     

Dynamics and control for contactless interaction between spacecraft and tumbling debris

Tumbling debris has become a great threat to orbit activities. Contactless interaction is a novel concept for active debris removal, through which the tumbling debris no longer rotates freely but is under control. The contactless interaction method aims to de-tumble the debris and then maintain desired relative states between the spacecraft and debris. The spacecraft is simultaneously stabilized through three-axis attitude control, which makes the de-tumbling and capture operation much safer, more effective and accurate. The dynamics and control for the contactless interaction have been little studied in the past years. This paper considers a generic dynamics and control problem for contactless interaction between a spacecraft and debris. A translational and rotational dynamics model of contactless interaction is proposed and the 6-DOF equations are established. The contactless interaction control law is designed with the backstepping method, and the spacecraft three-axis control law is designed with the PD control. Simulation results show that the angular momentum is transferred from the debris to the spacecraft and the debris is thus de-tumbled. The desired relative states are achieved efficiently. Significantly, the spacecraft and debris no longer rotate in the inertial frame and, hence, the safety and accuracy for capture operation are guaranteed.     

Large constellations assessment and optimization in LEO space debris environment

Recent plans for large constellations in Low-Earth Orbit have opened the debate on both their vulnerability and their influence on the already hazardous space debris environment. In fact, given that large constellations normally employ satellites of small size, there might be situations in which cm-size debris could have enough energy to cause fragmentation of a significant part of these spacecraft upon impact, while smaller debris could affect the functionalities of critical subsystems, even compromising the success of disposal operations planned at end-of-life. In this context, this paper investigates: (1) collisions with large objects that could initiate the fragmentation of a significant part of the satellite, and (2) impacts with small debris that might perforate the spacecraft hull thus causing relevant performance/functionality degradation. These two points are merged in a simple statistical tool for risk assessment, which analyses the effects of the main parameters of the constellations on its vulnerability (i.e. operational life, number of satellites, spacecraft cross section, satellites reliability). In more details, the tool relates impact probability (for both small and large debris) to the ballistic response of spacecraft structures and protections, defining the critical configurations that might compromise the expected disposal operations. This method requires a limited knowledge of the spacecraft internal layout, as it is based on a statistical analysis of impact damage instead of a complete evaluation of the vulnerability of each subsystem. In parallel, non-debris related failures are also investigated and statistic models of spacecraft reliability characteristic are proposed. Among the results, it is shown that reducing the lifetime of individual satellites in a constellation might improve the success rate of post-mission disposal, thanks to the reduction of the spacecraft exposure to the space environment with the consequential degradation of its performance. On the other hand, reducing the lifetime would seriously affect the debris environment: the increase in traffic in the most crowded altitudes would be not counterbalanced by the higher post mission disposal success rate, causing an overall increase of the total number of uncontrolled resident objects.     

Prospects of de-tumbling large space debris using a two-satellite electromagnetic formation

Capturing large space debris with complex rotational motion is extremely challenging. A de-tumbling phase before capturing may be necessary to reduce the risk of collision with debris. This paper proposes a new noncontact de-tumbling method using a two-satellite electromagnetic formation, in which two small electromagnetic satellites, each having a high-temperature superconducting coil, generate control torques to reduce the rotation rate of debris prior to making any physical contact. The electromagnetic interaction of the target-satellite system is analyzed. A relative translational dynamics of the target–satellite system and the attitude dynamics of the target are established. Simulation results show that the proposed method effectively eliminates the rotational motion of the target. It can be safely concluded that the noncontact method for de-tumbling space debris using a two-satellite electromagnetic formation is feasible and potentially applicable to on-orbit capture.     

非合作失效航天器绳系拖曳系统研究

空间碎片的不断增加给人类航天活动的开展和在轨资产的安全造成严重威胁。在已经提出的多种空间碎片主动清除方式中，绳系拖曳（tethered space tug，TST）系统因有较好的应用前景而受到广泛关注。部分失效航天器因星上器件损坏且姿态控制系统异常，始终将姿态维持在某一特定指向，针对此类具有典型的非合作特征的大型空间碎片，开展绳系拖曳动力学与控制研究。将拖船和目标均视作刚体，用牛顿法建立了TST系统的动力学模型；根据目标姿态稳定方式分为自旋稳定和三轴稳定两种情况，开展了绳系拖曳动力学分析与控制设计，并考察了系绳在失效航天器表面连接点位置对系统稳定状态的影响。仿真结果表明，拖船和失效航天器会在系绳连接下表现出抗衡特点，最终系统会稳定在不同的均衡状态附近。此研究为安全清除尚有残余姿态控制能力的失效航天器中相关拖曳动力学与控制问题提供了参考。     

航天器控制的现状与未来

航天器控制技术是决定航天器发展水平的关键技术之一.针对不同航天活动对航天器控制的特殊要求,分析了高性能卫星、载人航天器、月球探测器和深空探测器等航天器控制的现状.杨嘉墀院士指出航天器控制必将走向智能自主控制之路.进一步提出,航天器智能自主控制应秉承"理论方法、系统结构、器部件要同步研究"的思想和方法.从目前应用情况看,北京控制工程研究所提出的基于特征模型的智能自适应控制方法是大有前途的方法.     

基于窄带雷达RCS序列的空间目标尺寸估计

从窄带雷达横截面积(RCS)序列中提取目标尺寸特征对空间目标的分类识别具有重要价值. 本文在研究椭球体RCS序列特性的基础上, 提出了一种空间目标形状估计方法, 并进一步研究了空间目标尺寸估计问题, 提出了一种新的尺寸估计方法. 实测数据的验证表明, 该方法能有效估计卫星、碎片等空间目标的形状和二维尺寸.      

利用TLE数据分析LEO卫星轨道异常的新方法——————综合判据法

及时准确地发现在轨卫星的轨道异常意义重大. 通过有效的异常算法, 能够找出发生轨道异常的碎片或航天器, 为空间碎片碰撞预警系统分析和验证碰撞事件提供数据支持. 通过对利用TLE (Two Line Elements)数据分析LEO在轨卫星轨道异常的方法研究, 提出了一个利用单个卫星相邻根数时间差控制加综合判据的判别方法. 分析表明, 相对于取单一因素阈值的判别方法, 综合判据法能够最大限度地减少漏判, 并且保持相对较高的判断准确率.      

一种低轨废弃目标的捕获与回收方案

如何清除轨道上日益增多的废弃目标已成为国内外航天活动无法回避的现实问题和迫切需解决的问题。针对低轨道大型废弃目标回收问题，基于天基回收技术的概念，提出了一种新型组合式柔性捕获回收方案。使用空间绳网捕获废弃目标后通过充气式增阻离轨方式进行被动离轨，再利用充气式进入减速技术 (inflatable entry decelerator technology, IRDT)进行再入、减速并返回地面。根据方案建立了动力学模型，开展了仿真计算分析。仿真结果表明，该方案技术可行，可用于未来空间目标的捕获和回收。     

基于卫星编队的空间碎片视觉高精度导航方法

视觉方法被广泛应用于空间碎片这类和卫星之间没有任何通信的非合作目标导航。针对观测过程中视觉传感器的像差偏差引起位置不确定的问题,提出了利用卫星编队的立体视觉导航方法。首先,利用卫星编队构造了长基线的视觉传感器,通过Fisher矩阵对系统的可观测性进行了分析,验证了系统是可观的;其次,对视觉传感器进行了误差分析,通过安排最优视差角,使多颗卫星的观测信息融合达到最优;最后,应用卫星编队的视觉导航方法对空间碎片进行了导航仿真验证。结果表明,基于卫星编队的视觉导航方法可以显著减小观测误差,精度能达到01m量级,而且编队构形简单,易于工程实现。