空间交会中多圈Lambert变轨算法研究

用两个位置和飞行时间来决定轨道的问题 ,即Gauss问题 ,是航天动力学中的一个基本问题。而Lambert交会问题是Gauss问题在航天器空间交会领域的具体化。文中提出了一种新的算法 ,解决了航天器多圈Lambert变轨的求解问题 ,由此来寻求在飞行时间较长的情况下 ,航天器的Lambert交会燃料最优轨道 ;并由算例验证了这种算法的正确性和鲁棒性     

对接口匹配的航天器双主动最优交会研究

研究了两航天器协同轨道机动（双主动）完成近距离交会任务的最优控制问题。在考虑航天器姿态变化、对接口位置及路径约束的情况下,构建了完整的6自由度、26状态的双主动最优交会数学模型。利用高斯伪谱法分别将燃料总消耗最少和交会时间最短两种最优问题离散为大型非线性规划问题,而后应用SNOPT软件包进行了求解。在此基础上通过大量数值计算分析总结了不同初始参数对最小燃料消耗和最短交会时间的影响规律,并与主被动交会形式进行了对比。结果表明,当两航天器质量接近时,双主动交会通常可明显减少燃料消耗,或缩短交会时间;而当质量差距较大时,双主动最优交会逐渐退化为主被动最优交会。     

非合作机动目标交会的相对位置控制

研究目标航天器存在机动的情况下追踪航天器与目标航天器的交会问题.只利用两航天器之间的相对位置测量信息,考虑目标机动、外部干扰以及状态耦合,提出一种改进的特征压缩方式并建立相应的解耦特征模型,基于该特征模型设计解耦的自适应控制方法实现追踪航天器与机动目标航天器的交会.仿真结果验证了算法的有效性,并表明其优于传统的PD控制方法.     

椭圆轨道非合作目标交会接近策略与控制

文章研究了追踪航天器与失控旋转非合作目标航天器在椭圆轨道中的交会接近策略与控制。在接近策略方面,首先,根据目标航天器大致结构设定一个安全的停泊点,使追踪航天器交会至停泊点;其次,通过在停泊点对旋转目标航天器姿态的观测,分析和预测其运动并确定合适的抓捕点位置,设计安全的接近轨迹,使追踪航天器沿着该轨迹接近至理想的抓捕实施点位置。在控制方面,考虑实际系统中的不确定性,只利用两航天器之间相对位置的测量信息,设计基于特征模型的自适应控制方法实现交会接近。最后通过数学仿真模拟整个交会接近过程,验证了文中所提出的接近策略和控制方法。     

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。     

空间交会策略回顾及自主快速交会方案研究

介绍了已实施的几种典型的空间交会策略.通过分析现在的2~3d交会方案以及国外最新发展的4圈快速交会方案,总结了实现快速交会所要解决的主要技术问题.针对中国空间交会技术的发展需求,提出了一种自主快速交会方案.对比现有的4圈快速交会方案,该方案所允许的追踪航天器和目标航天器的初始相位角范围大大增加,但燃料消耗基本保持不变,这对开展实际工程有较好的指导意义.     

轨道维持与调相的综合优化策略研究

在交会对接飞行任务设计研究中必须首先确定目标航天器的轨道设计策略,研究了一种将目标航天器轨道维持和调相两种任务进行综合优化的策略.轨道维持的任务是使得目标航天器轨道的形状和位置符合交会要求,调相的任务是使目标航天器在轨道中的初始相位角符合交会要求.在考虑了交会对接发射窗口、交会终端约束条件下,将目标航天器轨道设计问题转化为一个非线性规划问题,应用序列二次规划方法对其进行了求解.仿真计算表明,这种方法既能以较少变轨次数满足交会对接任务要求,又能节省燃料,为空间交会对接任务规划提供了重要参考.     

基于T-H方程的多脉冲最优交会方法

针对椭圆参考轨道交会问题,采用T-H方程描述相对运动,提出了一种时间固定燃料最省的多脉冲最优交会方法,优化参数为交会脉冲及其施加时刻.当考虑到J2摄动或航天器初始相对距离较大时,用T-H方程进行状态预测其线性化误差一般不容忽略,而若用轨道积分预测则耗时较多,进而导致优化时间过长.针对此问题,提出一种采用前一优化脉冲节点的状态导出的轨道根数预测当前节点状态的预测方法.该方法简单实用,有效地加快了优化收敛速度.最后基于多脉冲优化解进行了数值轨道积分以验证交会精度.仿真结果表明,即使加上J2摄动,在初始相对距离为1 000 km时,该方法的终端位置精度仍能达到75 m.     

误差情况下航天器交会任务的实现

在进行航天器交会对接制导方案设计时 ,必须考虑在误差情况下航天器交会任务的实现。在水平推力冲量多弧段交会机动方案基础上 ,设计了二次冲量修正法对各种误差引起的交会过程误差进行制导修正。仿真算例结果表明 ,设计的制导方法是可行的 ,而且不影响原交会机动制导方案的优点。     

基于普吕克直线的交会对接相对位姿确定算法

为了描述航天器交会对接中的相对位置和姿态测量信息,提出了结合特征线的双目视觉测量以及普吕克直线方程来进行航天器交会对接的相对位姿测量算法。传统算法中航天器的相对位姿是分开测量和计算的,普吕克直线方程则统一描述了两个航天器的相对位姿信息。首先采用双目视觉算法计算得到目标航天器中两条非共面直线在追踪航天器下的坐标值,然后根据普吕克直线方程得到这两条直线在两个坐标系下的相对位姿关系,最后通过采用奇异值分解的方法解算出两个航天器间的相对位姿信息。仿真结果表明该算法不仅实现了位置和姿态的统一测量,而且能够满足航天器交会对接相对位姿的测量要求,验证了该算法的科学合理性与解算快捷性。     

多航天器分布式事件触发分组姿态协同控制

在分布式事件触发机制的基础上对多航天器分组姿态协同控制问题进行了研究。系统内包含若干个分组，并且航天器间的信息交互被抽象为无向拓扑。以修正罗德里格斯参数（MRP）描述航天器的姿态，构造了包含姿态和角速度的辅助变量，并设计了分布式的控制输入。在分布式事件触发机制下，对每个航天器设计了触发函数，并结合代数图论和Lyapunov稳定性理论证明了多航天器能够渐近达到分组姿态协同，同时证明了系统内不会发生Zeno现象。仿真结果验证了在分布式事件触发机制下提出的控制输入的有效性。      

组合体航天器姿态的智能自适应控制方法

研究了交会对接后组合体航天器构型变化带来的姿态控制问题,对执行机构在控制量受限时的控制能力进行了分析,应用基于特征模型的智能自适应控制方法,设计了能适用于不同构型的姿态控制器,分别对组合体在直线构型和L构型对接情况下进行了数学仿真,仿真结果验证了智能自适应控制方法可行并且具有一定的优越性。     

Concurrent image-based visual servoing with adaptive zooming for non-cooperative rendezvous maneuvers

An image-based servo controller for the guidance of a spacecraft during non-cooperative rendezvous is presented in this paper. The controller directly utilizes the visual features from image frames of a target spacecraft for computing both attitude and orbital maneuvers concurrently. The utilization of adaptive optics, such as zooming cameras, is also addressed through developing an invariant-image servo controller. The controller allows for performing rendezvous maneuvers independently from the adjustments of the camera focal length, improving the performance and versatility of maneuvers. The stability of the proposed control scheme is proven analytically in the invariant space, and its viability is explored through numerical simulations.     

飞行器轨道交会的H_∞次优控制问题

研究了近圆轨道上两个飞行器轨道交会的控制问题。通过对最优控制理论设计最优交会轨线的研究 ,提出了利用 H∞控制理论设计实际控制器的方法 ,给出了仿真结果 ,验证了这种方法的正确性。说明了该方法具有鲁棒的控制效果以及次优的轨道特性。     

航天器集群控制与规划算法仿真验证平台设计

航天器集群作为一种新兴的多航天器协同模式，已经成为分布式空间系统的一个重要研究课题。很多关于航天器集群的关键技术需要在地面进行仿真、分析和验证。针对上述需求，设计了一种仿真验证平台，在地面实现了对航天器智能集群导航、规划与控制算法的全物理分析和验证。首先，给出了仿真验证平台的几种位姿识别方案，重点分析了一种基于单目相机的全局位姿识别技术，提出了一种基于气浮技术的航天器集群控制与规划算法仿真验证平台的总体设计方案，并定义了集群的运动场行为函数，设计了基于滑模控制的路径规划算法。最后，通过仿真验证了本方法的可行性和有效性。     

常推力作用下飞行器固定时间最优交会

研究了在常推力作用下,两个空间飞行器的固定时间最省燃料交会问题。通过对飞行器交会过程中最优推力弧段的研究,给出了关于飞行器的最优推力弧段的几个性质。这些结果为空间飞行器交会对接的工程设计提供了理论依据。     

Optimal spacecraft rendezvous using the combination of aerodynamic force and Lorentz force

This paper presents a propellantless spacecraft rendezvous method by using the optimal combination of aerodynamic force and Lorentz force. Aerodynamic force is provided by the rotations of the plates attached to the spacecraft, and Lorentz force is achieved by modulating spacecraft's electrostatic charge. Considering the limitation of the charging level of the spacecraft and physical constraints of the plates system, an optimal open-loop rendezvous trajectory is designed, which aims to minimize the energy consumed to actuate the hybrid system. The rotation rates of the plates and the electrostatic charge are constrained in the optimization problem, which is solved via the Gauss pseudospectral method. To track the open-loop trajectory in the presence of external perturbations, a novel adaptive nonsingular terminal sliding mode controller is designed. The stability of the closed-loop system is proved by the Lyapunov-based method. Several numerical examples are conducted to verify the validity of both the open-loop and closed-loop control strategy.     

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.