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.     

考虑输入饱和的多航天器系统姿轨耦合分布式协同跟踪控制

基于一致性理论,研究了多航天器系统相对轨道及姿态耦合的分布式协同控制问题。在仅有部分跟随航天器可获取领航航天器信息的情形下,针对各跟随航天器存在未建模动态以及外部环境干扰等问题,利用双曲正切函数的性质,提出了考虑输入饱和的分布式自适应协同控制律。首先,对于领航航天器具有时变状态的情形,为每个跟随航天器设计了3个滑模估计器,对领航航天器的状态进行估计。其次,针对跟随航天器间相对速度和角速度难以测量的问题,设计仅需领航航天器状态的切比雪夫神经网络自适应更新律。最后,设计考虑输入饱和的分布式自适应协同控制律保证各跟随航天器跟踪动态领航航天器。仿真结果表明了该算法的有效性、可行性。     

基于滚动优化和微分Theta-D方法的快速绕飞航天器姿轨协同控制

针对近距离快速绕飞的视线保持要求和姿轨耦合特点,研究航天器姿轨协同最优控制方法。建立了六自由度相对运动耦合非线性模型,偏心推力矢量同时提供位置和姿态控制能力;考虑到近距离相对运动对动态性能的高精度要求,不同于无限时域经典Theta-D方法,提出了一种包含终端状态约束的滚动优化有限时域最优控制快速解算方法,推导了中间过程微分Riccati方程和微分Lyapunov方程的横截条件。控制器设计充分考虑了有限脉冲小推力器和有限力矩输出装置的约束。对近距离快速绕飞的仿真结果说明了方法的有效性,所提方法在保证相对运动稳定和动态性能的前提下控制输出幅值小,具有工程实际意义。     

大规模固体微推力器阵列点火关键技术

为了将固体微型推力器阵列应用于姿轨控,需要对点火相关技术进行研究。分析了点火电路在姿态、轨道控制上的应用问题;设计了适用于大规模阵列的驱动电路,通断可控,能够满足点火需要;研究了点火延迟时间以及单次多组点火的间隔时间,当点火功率为2 W时,点火延迟时间经测试最大为7.6 ms,而点火间隔时间经测试最小为50μs。经过综合测试实验,点火成功率能够达到100%,验证了点火系统相关模块的可靠性和匹配性;经过控制仿真,验证了该系统能够满足卫星姿轨控需要。     

姿控动力装置仿真模拟器研制

为研究某型号导弹飞行中段的姿态控制、验证飞行试验控制系统功能,研制了姿控动力装置半实物实时仿真模拟器系统。与导弹控制系统进行的弹道模飞联合仿真试验表明,该系统功能稳定、实时性高,在仿真试验中发挥了重要作用,实现了姿控动力装置在不同工况下的半实物仿真和数字仿真功能。     

一种带大挠性附件卫星的低阶鲁棒控制方法

针对带有大挠性附件卫星存在参数不确定性和外部扰动的问题,提出一种基于线性矩阵不等式(LMI)的鲁棒H∞反馈控制方法.在卫星动力学模型中考虑了太阳帆板对日定向转动及天线展开过程中参数的摄动问题,进一步设计适用于线性参数时变(LPV)系统的多输入多输出(MIMO)反馈控制器,证明闭环系统在参数大范围摄动下的鲁棒稳定性.相比经典控制方法,当结构参数变化较大且三轴姿态为动态时变时,在满足期望性能指标的同时,可以有效地抑制挠性附件的振动且具有较强的抗扰能力.最后通过仿真验证了所提方法的有效性.     

RTS平滑滤波在事后姿态确定中的应用

为了进一步提高卫星事后姿态确定的精度,基于EKF引入RTS后向平滑滤波.针对目前广泛使用的以误差作为状态变量的EKF姿态确定方法,不改变原有的EKF方法,通过对EKF过程中得到的数据做相应处理,在保证不出现协方差阵奇异的情况下,成功地将RTS平滑滤波算法应用到事后姿态确定中,并用RTS平滑滤波算法进行了仿真.仿真结果表明,RTS平滑滤波的姿态确定精度明显优于EKF.     

基于几何特征的非合作目标相对位置和姿态估计

针对几何参数未知的非合作目标,提出一种基于双目视觉的非合作目标相对位置和姿态估计算法.对目标图像进行滤波去噪、Canny边缘提取并将每条边缘段保存至链表,将边缘段分为直线段和圆弧段;并从直线段和圆弧段中检测出矩形特征和圆形特征;根据平行直线在同一像平面投影具有相同湮灭点的性质设计矩形特征相对位置和姿态估计算法;根据圆在像平面对偶投影几何,设计圆形特征的相对位置和姿态及半径的估计算法;对实际模型图像进行处理验证,结果表明该算法能够很好地识别帆板和对接环,并有效地估计出相对位置和姿态及对接环半径.     

遥感卫星动力学频谱规划

频谱规划是无线通信领域的概念.介绍了在遥感卫星动力学设计中的动力学频谱规划方法,通过合理的动力性频率设计,避免星上周期性活动部件与低频密集模态的挠性附件因频率接近而发生耦合振动,确保高精度遥感探测卫星具有足够的指向精度和姿态稳定度.以某高轨遥感卫星为例,通过规避5项干扰力矩对卫星的影响,确保指向精度和稳定度指标的实现.     

基于Lyapunov函数的小天体软着陆障碍规避控制方法

针对姿轨耦合型探测器控制方法存在工程实现难、计算效率低的问题,提出一种基于Lyapunov函数的小天体自主软着陆障碍规避控制方法。首先,建立了小天体着陆过程姿态和轨道的动力学模型;其次,考虑探测器当前的势能与障碍地形对探测器的威胁选取Lyapunov函数,并根据Lyapunov稳定性原理推导了推力器的开关控制逻辑,能够实现到达目标着陆点的同时进行障碍规避,且该过程不需事先设计参考模型。同时,该控制逻辑具有解析形式,能够实现实时障碍规避。仿真结果表明,该方法能够有效实现规避障碍且满足姿态稳定的要求。