基于摄动模型的挠性航天器姿态控制系统设计

为了完成挠性航天器高精度姿态控制任务,首先采用摄动法分析了挠性航天器动力学方程,得到相应的0阶和1阶动力学系统.针对0阶非线性时不变系统,同时考虑到转动惯量不确定性和干扰,对已有的非线性直接自适应控制律进行改进,设计PI(Propor-tional-Integral)型参数自适应律,以提高姿态控制精度,同时给出了稳定性证明.针对1阶系统设计PI控制器及PPF(Positive Position Feedback)控制器,以有效抑制挠性结构振动.仿真结果表明,在采用摄动法对动力学方程分析的基础上设计姿态控制系统,可以有效完成挠性航天器高精度姿态控制任务.     

连续小推力航天器自主导航及在轨参数标定

以连续小推力航天器为背景,提出了综合考虑星载加速度计和推力器在轨标定的自主导航方案。首先以精确姿态测量和引力梯度模型为标定参考信息源,建立了包含加速度计参数、推力器参数以及光压系数的完整参数测量模型;然后基于天文导航方法建立了自主导航系统状态模型和观测模型;表明各状态和参数的能观性后,采用了具备良好计算效率和鲁棒性的双重无迹卡尔曼滤波方法进行状态和参数联合估计。分析与数值仿真表明,该方法通过结合参数在轨标定直接提高了导航模型精度,在工程应用中具备可行性和有效性。     

带变速控制力矩陀螺的航天器自适应姿态控制

航天器高精度姿态控制容易受到参数误差的影响,自适应控制能够合理地估计参数,使基于模型的控制器设计易于实现。自适应参数分为主星体惯量、变速控制力矩陀螺框架转子惯量及动摩擦系数3组,按参数分组对带变速控制力矩陀螺的航天器详细动力学模型进行变换,采用Lyapunov方法设计出姿态控制器、变速控制力矩陀螺群操纵律及参数自适应更新律,操纵律中引入加权矩阵以缓解陀螺奇异问题。理论分析和数值仿真表明闭环姿态控制系统全局一致最终有界稳定,参数自适应更新能有效减小角速度跟踪误差,使姿态四元数误差收敛更快。参数估计虽然不能准确收敛到其真值上,但均在可接受的范围内。     

基于最优推力锥的级联推力分配算法

推力分配是推力系统冗余配置时航天器姿态控制系统的必备组成单元.针对传统直接搜索法以及单纯形法在分配过程中在线计算量大、工程实现较难的不足,提出了一种基于最优推力锥的级联分配方法.该算法首先进行无约束分配,搜索出实现目标控制量的准最优推力锥,然后用推力器喷气时间上限对无约束问题的最优推力组合进行饱和处理,更新推力器喷气时间上限,计算当前推力组合的控制误差,并作为下一步的目标控制量,更新推力锥,重复迭代,直至控制误差为0或当前目标量的可行锥不存在.文中以空间站核心舱为例进行了仿真,结果显示:与传统单纯形法相比,该方法能在保持计算量优势的前提下,在目标量可实现时能优化推力组合,精确实现目标量;目标量不可实现时,能在可达集内最大限度地实现目标控制量,充分利用了推力系统的控制能力.     

限制性四体问题中的时间相关不变流形

借助有限时间Lyapunov指数（FTLE）定义了拉格朗日拟序结构（LCS）,并将LCS作为不变流形的替代物。针对日-地-月双圆模型（BCM）,利用LCS研究了限制性四体问题（R4BP）中的时间相关不变流形（TDIM）的性质。采用数值方法验证了TDIM是运动分界面和轨道不变集。继而,利用二分法对给定Poincare截面上的LCS进行了精确提取,通过一系列等能量面上的LCS描绘出TDIM在给定截面上的构形。最后,借助TDIM,初步研究了低能奔月轨道在非自治系统BCM中的直接构建。     

挠性航天器的退步直接自适应姿态跟踪控制

针对参数不确定的挠性航天器姿态跟踪控制问题,提出了一种退步直接自适应控制算法。首先验证了挠性航天器动力学子系统的近似严格正实性,并设计了具有理想控制性能的参考模型;然后对以姿态四元数描述的运动学子系统设计常系数输出反馈中间控制律,使航天器姿态四元数输出渐近跟踪参考模型输出;最后退一步,对具有参数不确定特性的动力学子系统,基于非线性直接自适应控制理论和Lyapunov稳定性理论,设计了退步直接自适应姿态跟踪控制器,并证明了闭环系统的稳定性。仿真结果表明,所提控制方法能有效抑制挠性附件的振动,对挠性航天器的控制是有效的。     

航天器GNC系统数学仿真技术研究现状及展望

总结航天器GNC系统数学仿真技术现状,给出控制系统数学仿真所需具备的4个能力：复杂系统仿真建模、多学科协同仿真、高性能计算和数学仿真平台.对这四个方面未来的技术发展进行展望.     

一种超静平台主动指向容错控制方法

针对超静平台主动指向控制中的作动器故障问题,提出一种超静平台主动指向容错控制方法。首先,基于超静平台的一般动力学模型,推导用于指向控制的解耦模型和标准解耦矩阵,将超静平台由高度耦合的复杂多输入多输出系统变为多个相对简单的单输入单输出系统,有利于控制器的设计和容错控制方法的引入;在此基础上,针对作动器的故障问题,提出指向控制重构策略,并建立新解耦矩阵;进一步,提出基于解耦矩阵条件数最小的冗余自由度选择方法;最后,进行了数值仿真分析。仿真结果表明：基于冗余自由度最优选择的主动指向容错控制方法能够最大限度地减少作动器故障对超静平台主动指向控制效果的影响。     

四种卡尔曼滤波器在仅视线测量相对导航中的性能比较

针对航天器交会时在仅有视线测量条件下的相对导航问题,比较了扩展卡尔曼滤波（extended Kalman filter,EKF）、无迹卡尔曼滤波（unscented Kalman filter,UKF）及平方根形式的卡尔曼滤波（square-root extended Kalman filter,SREKF以及square-root unscented Kalman filter,SRUKF）在这一导航问题中的性能.介绍了仅有视线测量条件下相对导航的特点以及上述4种卡尔曼滤波算法;建立了追踪航天器和目标航天器间相对动力学方程以及基于仅视线测量相对导航时的量测方程;结合3种典型的相对运动形式进行了数值仿真.仿真结果表明：在仅视线测量相对导航中,4种算法的精度处于同一量级;UKF估计相对距离的精度稍优于EKF;SREKF和SRUKF估计相对距离的精度稍优于EKF和UKF.     

基于观测器的超静卫星平台关节-任务空间鲁棒控制方法

超静卫星包括星体、载荷和六自由度并联的主动指向超静平台.提出了一种基于干扰观测器设计的主动指向超静平台鲁棒控制方法,利用关节-任务空间控制实现无载荷姿态敏感器场景下的高精度指向.首先,设计关节-任务空间控制策略,控制器既采用了利于实现的关节空间控制器,又包含了任务空间的模型补偿,同时避免了正解运算.然后,针对非线性耦合和建模不确定性等问题,设计干扰观测器对星体与载荷之间的相对偏差干扰进行估计.在此基础上,基于李雅普诺夫方法设计了鲁棒控制器,保证了在干扰不确定性条件下的稳定性.最终,通过对比仿真分析,验证了提出方法的有效性.