卫星编队飞行的探测目标指向动力学与控制方法研究

卫星编队飞行的相对轨道运动和姿态指向运动并不是彼此独立的,而是相互耦合的.利用几何学方法和编队卫星的相对位置与姿态指向的耦合关系推导了卫星编队飞行的姿态指向运动学和动力学方程.并运用指数趋近律滑模控制方法对系统进行耦合控制.仿真结果表明:耦合控制系统在不借助额外姿态测量信息的情况下可同时实现相对位置和姿态指向的精确控制.     

轻质铝箔V-型皱褶构型板雷达散射性能研究

 设计并制作了14个不同几何特征参数的V-型铝箔皱褶构型板。运用电磁数值仿真软件对它们的雷达散射截面(RCS)进行了计算,分析了V-型皱褶板几何特征参数对雷达散射性能的影响。同时,用LFY铝箔制作了14个不同几何特征参数的皱褶构型板,并对它们进行了RCS实验测试。通过对比分析发现,数值计算结果和实验测试结果基本吻合。结果显示,在一定的结构参数下,轻质铝箔皱褶板的RCS比同样平面几何尺寸的平板小,有的甚至降低20 dBsm。铝箔皱褶板成型工艺简单,结构重量轻,价格低廉,可用于包敷飞行器内部有较大RCS的大尺寸构件,从而降低整个飞行器的RCS。     

基于X射线脉冲星的新型卫星天文导航

基于X射线脉冲星导航（XNAV）是一种新型的卫星自主导航技术。使用卫星上的相位测量值和脉冲星钟预报的相位值,可以确定卫星的位置和速度。由探测到的脉冲相位,计算出沿着脉冲星视线方向的卫星相对于地心的距离。同时测量三颗脉冲星,就可以计算出卫星在惯性系下的位置。结合距离测量方程和轨道动力学,设计了广义卡尔曼滤波算法。仿真验证表明,该导航算法能实现卫星的精确导航,定轨精度在百米以内。此外还分析了影响导航性能的因素。     

运载火箭自适应增广控制参数优化整定方法

针对参数众多的自适应增广控制(Adaptive Augmenting Control, AAC)技术,提出了两种基于优化算法的参数整定方法,实现了对AAC控制器参数的合理设计。第1种方法是使用粒子群算法,通过设计合理的适应度函数,使得优化得到的参数在标称状态下尽量不影响系统,在有干扰的情况下提升系统的抗扰动能力。第2种方法是重新定义高低通滤波器,减少优化参数数量,使用遗传算法得到优化的参数可以加快计算速度。仿真结果验证了使用优化算法得到的参数的合理性。与PD控制系统相比,AAC控制能够提升抗干扰能力;与滑模控制系统相比,能够看到相同精度下AAC控制的控制指令更加平滑。将第2种方法中得到的参数与使用粒子群算法对比,使用遗传算法得到的参数具有更优的性能。     

基于ORB的交叉双旋翼无人直升机视觉跟踪控制系统

为了使交叉双旋翼无人直升机在全球定位系统（Global positioning system, GPS）信号不稳定的情况下实现对目标的视觉跟踪,设计了一种交叉双旋翼无人直升机视觉跟踪控制系统。首先,设计了一种视觉模块,对跟踪目标进行图像处理,利用基于方向性快速的特征点检测和旋转BRIEF(Oriented FAST and rotated BRIEF,ORB)描述子特征匹配和矩形检测,获取跟踪目标的中心点像素坐标,通过相机模型和旋转矩阵解算出跟踪目标的中心点实际位置。然后,设计了一种跟踪控制模块,采用串级比例积分微分（Proportional-integral-derivative,PID）加前馈的控制结构,为了限制极限位置和最大加速度,位置控制中采用平方根控制器,姿态控制中设计了一种交叉双旋翼姿态控制机构。之后,通过飞控地面站搭建仿真环境,对添加视觉模块的飞行控制系统进行仿真验证,结果表明,无人直升机可以很好地跟踪到视觉模块输出的期望位置。最后,进行实验验证,在设定最大飞行速度为1 m/s的条件下,姿态角最大为8°左右,位置与期望位置之间的误差最大为0.08 m,可以实现交叉双旋翼无...     

基于低轨稀疏星座的蓝绿激光对潜定位研究

潜艇只在必要时刻才浮出水面，对实时通信和导航定位造成极大制约。蓝绿激光具有深水穿透性高、衰减系数低等优势，已在机载和星载平台对潜艇通信中得到验证。借鉴GNSS导航信号产生原理，结合蓝绿激光通信测距一体化与低轨卫星自身精密定轨，提出了基于蓝绿激光通信的低轨卫星对潜定位算法。通过在激光通信中增加载波相位调制，实现潜艇激光接收器的伪距测量，联合其高程测量信息实现水下定位。以一带一路海域，特别是中国南海区域为服务对象，优化星座参数设计了3颗卫星组成的低轨稀疏星座。潜艇在星座覆盖区域内保持静态，间隔1~3min完成至少两次通信测距和导航电文接收，联合两组观测数据、精密星历及高程测量信息进行定位解算。仿真结果显示，在卫星过境期间，考虑卫星定轨精度，激光在空气、水下传播误差等因素，潜艇可在水下实现X、Z方向定位误差优于100m，Y方向误差约100~150m的高精度定位，对提升潜艇的战场作战能力具有意义。     

应用iGMAS超快速星历的实时精密单点定位研究

中国主导建设的国际GNSS监测评估系统（iGMAS）相比国际上比较成熟的IGS系统在产品精度等方面存在差别，目前实时精密单点定位应用多采用IGS实时、近实时产品。为改变这一现状，针对iGMAS产品特性以及实时精密单点定位对超快速精密星历的需求，对iGMAS超快速星历的精度和稳定性方面进行评估，设计了iGMAS产品实时/事后下载应用程序，开展了基于iGMAS超快速星历的实时精密单点定位研究，并结合NovAtel OEM617双频接收机进行了GPS实时精密单点定位试验。实验结果表明，在连续观测23min后定位误差即可收敛到分米级，较接收机原始定位精度高一个量级，且稳定性好，最终在E/N/U方向定位误差均方根分别为7.2cm、6.4cm、15.2cm，与应用IGS超快速星历实时PPP试验取得相近的结果。研究实现了iGMAS数据获取、评估和实时PPP应用的一整套方案，验证了iGMAS超快速产品的性能，对推进iGMAS产品的应用提供了借鉴。     

太阳系多目标探测轨道优化设计

将太阳系多目标探测的轨道优化设计问题转换成非线性规划问题,建立了轨道优化模型.针对非线性规划问题解的多峰性,设计了一种融合改进的网格搜索算法和差分进化算法的组合优化算法.利用改进的网格搜索算法以适当的步长寻找理想的发射窗口和各阶段转移时间,产生差分进化的初始群体,进而使用差分进化算法搜索初始群体附近的子空间,通过全局范围内的比较得到较理想的结果.最后以2018 ～2020年太阳系多目标探测为例,面向土星环绕探测任务完成了飞行中途探测太阳系多颗大行星的轨道优化设计.数值仿真结果表明上述算法对太阳系多目标探测轨道优化设计具有较好的通用性和应用参考价值.     

面向星表柔顺着陆的阻尼力可控电磁缓冲器设计

未来,载人航天、基地建设等任务要求着陆器具备柔顺落震、可重复使用、可调姿/移动等功能,基于材料塑性变形吸能机理的传统着陆器将无法满足相应要求,为此,本文提出了一种可实现着陆器星表柔顺落震和可复用、可调姿、可行走等功能的阻尼力被动可控电磁缓冲器,完成了结构设计、理论分析和仿真验证。首先,提出了一种采用电磁缓冲器作为辅助缓冲支柱的新型可复用着陆器,完成了落震动力学分析,得出了电磁缓冲器的主要性能指标和结构参数;其次,介绍了电磁缓冲器的内部结构设计和基于滑动电阻导杆的阻尼力被动可控实现机理;最后,通过有限元方法完成了虚拟样机建模与仿真,验证了电磁缓冲器的功能有效性,并确定了能耗电阻、励磁电流等关键电性参数。该电磁缓冲器创新性地实现了阻尼力的近似线性的平滑变化,从而有效降低着陆器触地瞬时冲击过载,提高落震过程柔顺性,并将最大过载系数限定在要求的范围内,为面向未来星表软着陆任务的新型着陆器研制提供了一种缓冲吸能解决方案。     

火星巡视器动力学建模研究与仿真平台实现

火星巡视器是执行复杂的火星表面探测任务的重要载体,为保证巡视器的可靠性,本文对火星巡视器动力学原理进行了研究。首先,分析了巡视器的结构组成,介绍了巡视器动力学建模的相关理论基础。然后根据巡视器有向Span树的轴链系统,基于拉格朗日递归动力学分析方法,得到了多轴系统拉格朗日方程,通过遍历巡视器轴链拓扑完成了巡视器动力学模型的建立。接着,将链符号系统引入经典Bekker轮土力学模型,以提高其准确性。最后,在VS平台MFC框架中开发了动力学仿真软件,对本文的动力学系统进行了测试,验证了巡视器动力学建模与控制的准确性与实时性。