6-DOF formation keeping control for an invariant three-craft triangular electromagnetic formation

Spacecraft relative motion with inter-craft electromagnetic force has distinct advantages, and its invariant shapes that are convenient for formation keeping ensure some potential significant applications. However, the electromagnetic actuators affect both the relative trajectory and attitude motion, complicating related researches on issues of invariant shape design and formation control. In this paper, the formation keeping problem for an invariant three-craft triangular electromagnetic formation is investigated on the basis of a 6-DOF full nonlinear dynamic model. Moreover, a combined control scheme consisting of feed-forward and feed-back control components is proposed to handle the high nonlinearity, strong coupling, model uncertainties and external disturbances. The feed-forward component is obtained through desired invariant shape design which is complicated by the coupling and superposition effects of any two distinct magnetic dipoles, and the feed-back component is developed with a combination of linear feed-back controller by the LQR method and active disturbance rejection by the extended state observer. Finally, the numerical simulation is presented to verify the feasibility and validity of the proposed 6-DOF combined control scheme.     

基于自适应方法的多无人机编队队形控制

针对"长机-僚机"近距编队队形因风场扰动而不能保持期望队形的问题,首先,提出了一种自适应队形保持控制的方法,该方法可用于抵消因风场不确定性对无人机的横侧向和前行方向所产生的距离误差,同时能够保持无人机编队稳定飞行。其次,由于风场的不确定性会引起"长机-僚机"之间的动力学发生变化,因此设计了一种基于"长机-僚机"相对运动模型的自适应控制律用以估计风场在3个方向的大小,进而控制无人机之间的相对运动以消除风场不确定性所产生的距离误差并保持速度的一致性,最终实现保持期望的队形。再次,通过构建合理的李雅普诺夫函数,证明无人机编队在风场干扰下能够保持编队稳定飞行,同时"长机-僚机"之间相对横向、横侧向以及纵向的距离误差均接近零。最后,通过仿真验证：所提出的自适应控制方法具有良好的鲁棒性,这为工程实践提供理论依据。     

复杂热环境下平流层飞艇高空驻留热动力学特性

热问题是平流层飞艇高空驻留期间面临的重点问题之一。分析了太阳辐射、地球反照和红外辐射等热环境因素的时变特征,提出了多节点平流层飞艇热动力学分析模型。该模型可较好地实现平流层飞艇昼夜热动力学特性仿真研究。计算结果表明,季节、纬度和大气对流等因素对平流层飞艇的热动力学特性有着重要影响。     

Station keeping of a solar sail around a Halo orbit

Solar sails are a concept of spacecraft propulsion that takes advantage of solar radiation pressure to propel a spacecraft. Although the thrust provided by a solar sail is small it is constant and unlimited. This offers the chance to deal with novel mission concept. In this work we want to discuss the controllability of a spacecraft around a Halo orbit by means of a solar sail. We will describe the natural dynamics for a solar sail around a Halo orbit. By natural dynamics we mean the behaviour of the trajectory of a solar sail when no control on the sail orientation is applied. We will then discuss how a sequence of changes on the sail orientation will affects the sail's trajectory, and we will use this information to derive efficient station keeping strategies. Finally we will check the robustness of these strategies including different sources of errors in our simulations.     

零偏模式下太阳光压对轨迹保持控制影响分析

从某颗在轨卫星地面轨迹漂移“异常”出发,分析了该现象发生的内在机理,建立了零偏模式下（卫星姿态偏航角保持为零）光压摄动力沿迹方向累积效应解析模型,并基于历史观测数据通过轨道改进估计模型参数。最后,利用该卫星2018年真实地面轨迹对新模型预报精度进行验证。结果表明,采用新模型后,卫星地面轨迹漂移预报误差得到明显改善,为该卫星轨迹保持控制策略制定提供了技术支持。     

地月系L2平动点轨道长期维持过程研究

针对地月系L2平动点附近两种常用轨道——拟halo轨道和Lissajous轨道,研究了轨道长期维持过程。采用穿越xz平面单圈控制的轨道维持策略,控制量通过单步预测法进行寻优。在全摄动动力学模型下对拟halo轨道和Lissajous轨道受控维持下的一年飞行过程分别进行了仿真和比较,结果显示Lissajous轨道的维持控制代价优于拟halo轨道,从轨道拓扑构型保持方面对该结果进行解释,并设计对比实验加以验证。研究结论对地月系L2平动点轨道选择、维持控制策略设计、长期飞行效果分析等方面具有工程参考意义。     

多阶段高斯伪谱法在编队最优控制中的应用

针对编队协同攻击时间最优控制问题,首先通过分析编队协同攻击作战过程,将编队协同攻击任务划分为编队形成、编队保持和协同攻击三个阶段。在简化控制延迟与效率的基础上,建立三阶段通用的空间运动方程。然后结合各阶段的任务特点,综合考虑弹间防碰、期望队形参数、交班误差、导弹自身控制限制,及攻击目标精度等因素,建立各阶段的最优控制模型。基于高斯伪谱法,提出编队形成-保持-攻击一体化的时间最优控制算法。通过大量仿真,在合理选择勒让德-高斯（LG）节点的前提下,利用该方法可快速得到优化的控制指令,弹道及约束性能的仿真结果显示,编队协同攻击全过程可满足任务需求及相应约束限制,校验了算法的可行性。     

地球静止轨道卫星电推进位保策略研究

研究了利用电推进系统进行GEO卫星轨道保持问题,给出了一种基于日预报的位置保持策略。首先,根据GEO卫星轨道漂移规律,分析了小推力推进系统每日进行位保的可行性;然后,针对四电推力器配置构型,给出了每日轨道误差、各推力器工作时间与区间的预测方法;进一步,针对给定的定点位置,根据位保效果对电推进安装角进行了优化选择,并研究了推力变化对位保效果和燃料消耗的影响。以东经100°定点为例对所给方法进行了仿真验证,数值结果表明:所给策略可有效用于GEO卫星位置保持。     

小推力轨道保持方法

对小推力轨道保持方法进行了研究。用快、慢变量控制器分别控制轨道要素的快慢变量,基于推导的经典轨道要素与2个推力方向角和最佳变轨位置的关系,给出了最优推力方向角的解析表达式。用Lyapunov反馈控制实现卫星轨道机动的轨道转移,并引入相位调整,实现了卫星的站位保持。仿真结果表明:基于Lyapunov的反馈控制可实现小推力轨道的转移和保持。     

推力器工作对轨道的影响分析

针对已知推力器在地球静止轨道卫星上的安装信息和已知推力器的工作信息,对推力器作用力进行建模,分析计算推力器在不同工况下工作对卫星轨道的影响;统计在轨卫星推力器工作对轨道的影响效果,并与计算结果分析进行比较,说明在轨道外推模型中加入推力器作用力的修正,可以有效地改善轨道外推的精度。