航天器时态规划技术研究进展

结合航天器自主运行的迫切需求,阐述了航天器任务规划问题给智能规划技术带来的挑战,并重点分析了具有时间属性的规划方法研究必要性。给出航天器时态规划定义,分别总结了状态空间时态规划建模方法和基于时间线的时态规划建模方法,并给出时态规划知识模型关键元素定义。根据规划方法发展现状,归纳总结前向链、模型转换、规划空间规划和分层任务网络四种方法在时态规划技术方面的特点和研究进展,着重描述各种方法对规划中时间要素的处理。在对目前的航天器时态规划技术发展趋势总结分析基础上,给出了未来航天器时态规划技术的发展建议。     

期望状态序列导向的深空探测器规划修复方法

Aiming at the challenges caused by the persistence, concurrency and energy consumption of probe actions, a plan repair method of deep space probe based on the expected state sequence is proposed. In this method, the expected state sequence is formed of the expected effect of the unfinished action and the expected precondition of the unexecuted action in the pre designed plan, according to the execution status of the action. The expected state sequence is an ordered set of states with mixed logic and energy, providing subgoals for plan repair and also transforming the plan repair problem into the state transition path searching problem. During the search, the plan repair strategy with energy supply priority is proposed, which separates the logic repair from energy repair to reduce the difficulty of solving the problem. And this method enables the probe to recover from plan failure autonomously. Finally, the effectiveness and rationality of the proposed method are verified through simulation by taking the Mars Orbiter as an example.     

PAN原丝取向行为与初生纤维结构的相关性

通过改变浓度、温度等凝固浴条件,获得取向行为不同的PAN原丝,采用声速法测定原丝的取向结构,使用X射线衍射仪、光学显微镜对PAN初生纤维的聚集态结构、截面形貌进行表征,建立原丝取向与初生纤维结构的相关性。依据取向度随牵伸倍数变化对数拟合曲线的斜率,定义原丝的分子链取向能力a,研究a与初生纤维结晶度的关联性。结果表明:初生纤维结晶度越高,PAN原丝可牵伸性越小,在同一牵伸倍数下纤维全取向度越高;原丝最大牵伸倍数受初生纤维径向结构影响显著,在凝固浴浓度74%时出现极大值;高溶剂含量的纤维分子链取向能力大于低溶剂含量的纤维;原丝的分子链取向能力随初生纤维结晶度增大而增大。     

曲线拟合参数估计法的目标散射中心提取

提出了一种基于几何绕射理论(GTD)模型的曲线拟合参数估计法,用于目标散射中心的提取.根据二维散射中心GTD模型,分角度分离目标的距离向散射中心,对不同角度的散射中心距离和幅相进行曲线拟合,提取目标二维散射中心参数,可估算散射体的曲率半径,较精确地计算转台中心至天线的距离.算例表明:对大角度成像、遮挡、平板散射等用该法重构的雷达散射截面(RCS)与原始数据较吻合.     

不规则小行星附着可达区生成方法

针对不规则小行星表面附着任务需求,提出了一种基于动态邻域搜索的可达区生成方法。首先,建立了可达区数学模型,并采用质心距映射函数对非定点附着的终端位置约束进行了处理。在此基础上,将可达区的优化问题转化为附着基准点计算、边界起始点计算和边界点搜索三个子问题。针对附着基准点与边界起始点,分别通过最小燃耗轨迹优化与极限燃耗轨迹优化求解;针对边界点,设计了导向式动态邻域搜索方法,将复杂的非定点着陆优化问题简化为定点着陆燃耗优化与边界插值。最后,以小行星433 Eros为对象,对所提出的可达区生成方法进行了仿真。结果表明,该方法能够生成不规则小行星表面的可达区,具有较高的搜索求解效率,并适用于不同的初始位置和燃耗条件。     

半捷联位标器稳定跟踪与弹体姿态一体化控制

半捷联位标器安装在弹体上,由于寄生回路的存在,使得位标器稳定跟踪控制回路和弹体姿态控制回路产生严重耦合,影响了位标器的稳定与跟踪。针对半捷联导引头稳定平台的稳定与跟踪问题,提出了一种半捷联位标器稳定跟踪控制与弹体姿态控制的一体化方法。基于反步控制原理设计了控制律,通过合理选择反馈增益可保证系统的稳定性与动态性能。最后对一体化设计与传统分离设计进行了仿真对比。仿真结果表明：考虑位标器稳定跟踪回路与导弹姿态回路耦合的一体化控制器,不仅能够保证弹体姿态控制系统快速响应,还可以提高位标器的稳定跟踪性能,并降低位标器跟踪不上高速目标的可能性。     

航天器多约束姿态机动时-虚混合域规划方法

针对姿态指向受限以及角速度和控制力矩有界等复杂多约束下航天器低能量姿态机动规划问题，首先提出了时-虚混合域的概念，即时域和虚拟域同步存在并且同步求解虚拟域姿态路径以及时域角速度和控制力矩。进一步地，建立时-虚混合域上非线性约束问题模型。然后，提出了时-虚混合域单点式非线性姿态机动规划方法，通过非线性参数优化和单点式路径分解置换规划求解得到姿态机动轨迹以及角速度和控制力矩曲线。仿真结果表明,该方法可以高效地解决多约束姿态机动规划问题，有效地降低姿态机动过程中的能量消耗，得到连续光滑的姿态机动规划结果。     

适用于深空探测器的时间线转移路标启发式规划方法

针对深空探测器各子系统状态并行及约束耦合的特点,设计了最大转移代价计算方法,并在此基础上提出了时间线路标提取方法。然后,针对路标集合重复计算耗时长的问题,提出了路标增量式搜索算法实现路标集合动态快速更新,并进一步结合最大目标节点筛选策略提出了时间线转移路标启发式规划方法。仿真结果表明,时间线转移路标启发式规划方法能够有效减少冗余规划步数,提高规划求解效率。     

带落速落角约束的高超声速飞行器俯冲轨迹规划方法

针对高超声速飞行器俯冲段精确打击任务需求,提出了一种能够同时满足落速与落角约束的轨迹规划方法。建立了两段式轨迹规划策略,第一段采用参数化控制剖面调节飞行速度,第二段采用传统偏置比例导引律实现落角控制。将控制剖面的参数设计分解为多参数优化与单参数搜索两个问题：通过离线求解可行初始位置范围最大的多参数优化问题,提高控制剖面对初始偏差的适应性;通过在线求解带罚函数的单参数搜索问题,得到落速偏差最小的俯冲轨迹。结合高超声速飞行器模型,对所提出的俯冲轨迹规划方法进行了仿真。结果表明,该方法能够得到满足落速与落角约束的俯冲轨迹,具有较好的求解效率,且对初始状态偏差具有较强的鲁棒性。     

小天体柔性附着状态协同估计方法

针对小天体附着过程易发生倾覆、反弹导致任务失败问题,提出“柔性附着”概念,替代传统小天体探测的刚性附着模式,为提高小天体附着任务可靠性提供新的解决思路和技术途径。在此基础上,针对柔性着陆器的状态估计问题展开研究。首先建立了柔性着陆器近似模型,提出了柔性着陆器“等效面”概念及柔性着陆器姿态的近似表征方式,进而提出了柔性附着状态协同估计方法,并通过数值仿真检验了柔性着陆器状态协同估计的可行性。