空间交会逼近走廊与相对位移控制

空间交会的最终逼近段是对接(或停靠)前的最后任务阶段,安全性求多,十分关键。为克服初始状态偏差与制导机动加速度偏差的影响,确保安全逼近与成功对接,须在逼近走廊内设定相对位移控制边界,并对达到控制边界的追踪航天器施加机动,使其回到标称位置。通过论述逼近速度走廊与双视场横向位移走廊的设计方法,引入控制变量(实际位移与标称位移之差),并提出相对位移控制方法与算法,其中双冲量控制所需速度增量最小,更适合交会对接工程实际应用。     

空间交会对接调相轨道误差特性分析

分析空间交会对接目标航天器和飞船的轨道特性,针对同一发射地点先后发射两个航天器进行交会对接的方式,开展目标航天器调相轨道特性研究,并在.轨道预报相位误差特性分析的基础上,讨论目标航天器调相变轨策略和轨道预报精度需求。针对空间交会对接地面导引段开展飞船轨道特性研究,在霍曼转移轨道特性分析基础上.讨论一般转移轨道特性,分析飞船地面导引段终点状态对转移轨道的影响,并结合地面导引段研究轨道设计要素与飞船地面导引段终点状态的关系,分析轨控误差和预报误差对地面导引误差的影响。     

空间交会对接中太阳光照窗口的研究

在空间交会对接过程中，光学测量装置对目标航天器的观测将直接受太阳光照反射强度的影响，空间交会对接必须在满足太阳光照条件的前提下进行，从正常交会对接和异常交会对接两个方面，详细分析了满足目标航天器光照条件的光照弧段和光照窗口问题，并且简要地讨论了地影区对光照弧段和光照窗口的影响，最后通过一个仿真算例，具体说明了光照条件及地影区对交会对接的约束。     

GPS动态相对导航用于航天器交会对接的研究及其OTF解算方法

根据ＧＰＳ动态相对导航在航天器空间交会对接中应用的优势,以及航天器空间对接各阶段的不同精度要求设计了具体的动态相对导航方案;并且认为在相对导航过程中,可以进行测相整周模糊度的ＯＴＦ解算,以提高交会对接测量的精度,并通过仿真计算,对结论进行了验证。     

月球轨道器交会对接地面高精度导引技术研究

月球轨道器交会对接过程中测量手段有限、地面测量几何差,地面导引的技术难度大。从月球轨道器交会对接地面高精度导引的需求入手,介绍典型的月球及近地轨道交会对接导引技术的现状,结合同波束干涉测量技术在月球和深空探测器高精度定轨的经验,提出采用同波束干涉测量技术实现地面高精度导引。分析同波束干涉测量技术在月球轨道器交会对接地面高精度导引中的优势,并在理论上探讨了所面临的关键技术。     

大型低轨道载人航天器电位主动控制

采用高电压太阳电池阵供电系统的低轨道(LEO)大型航天器会收集周围空间环境电子电流,使其被充电到较高的负电位,从而对航天器交会对接和航天员出舱产生严重的危害,因此对这种航天器表面电位进行主动控制可有效降低航天器运行风险和保障航天员安全。采用地面模拟试验的方法,利用空心阴极等离子体接触器发射电子的手段,模拟太空环境下对带负电航天器表面电位进行有效控制。研究结果表明,最小工质流率大于4.0 sccm时空心阴极发射的电子电流可以抵消航天器吸收的电子电流,实现航天器电位的自适应控制,将航天器表面电位钳制在20 V之内;且随着氙气流率的增加,钳位电压会更小。这一方法将有效避免航天员出舱活动和航天器交会对接时的放电危险,对中国航天器带电效应防护具有很重要的意义。     

“天宫一号”目标飞行器表面污染物质沉积探测数据及分析

航天器进入空间环境以后,表面和内部材料通过解吸和放气过程会迅速释放出在地面环境和材料加工中所吸附的气体分子和颗粒,再沉积到航天器表面,形成污染物质层。这种现象会对航天器上一些技术分系统(如能源系统、光学遥感系统、温控系统等)产生程度不同的负面影响。"天宫一号"目标飞行器上携带了微质量计,首次在载人航天轨道上就位监测飞行器表面污染物质沉积及其变化,证实了这种污染现象和污染物质的存在。探测数据分析表明,飞行器表面污染物质沉积量随时间累积增长,在三次交会对接期间尤为显著,同时表面沉积量增长与温度呈负相关关系,姿态变换对其影响有待进一步讨论。     

空间交会对接多体制接收机设计与实现

空间交会对接时,空空通信系统需在两个航天器之间建立双向通信链路,完成两者间的信息交换。在载人航天交会对接任务中,空空通信系统担负交会对接段以及撤离段航天器间的双向链路数据传输任务。针对不同的任务模式、分析不同信号的解调模型和算法特点,基于软件无线电技术确定本系统的全数字化解调算法和硬件平台设计方案,实现过程运用复用/优化设计思路,节省了逻辑资源、降低了算法复杂度。对关键指标的测试表明,该设计可满足空空通信系统的指标需求。     

矢量喷管推力特性的风洞试验技术

该试验技术的研究包括喷流模拟器的研制、地面校准系统的研制、喷管天平数据修正方法研究以及风洞验证试验。研制的喷流模拟器内置喷管推力测量天平,设计了地面推力特性试验校准架,建立了地面试验系统。分析了影响喷管天平测量结果的附加刚度效应、压力效应和流动效应3个主要因素,通过地面校准架建立了相应的测量数据修正方法。针对特定喷管,开展了0°、5°、10°和15°四个偏转角度的喷管,在不同落压比下的推力和矢量角地面验证试验研究。进一步将喷流模拟器和喷管安装在模型上,在中国空气动力研究与发展中心的8m×6m低速风洞开展了落压比为3时的模型纵向气动特性试验研究。研究结果表明:以喷流模拟器为核心的喷管推力特性试验技术能够在地面和风洞试验中有效测量矢量喷管的推力大小、矢量角大小和对飞行器气动特性的影响量。从测量结果来看,落压比为2时,有效推力偏角最大,实际偏角为10°时的有效偏角可以增加3°。喷管偏转10°时,推力对模型的气动力影响最大,其中升力系数可以增加0.066。      

空间交会对接多体制接收机设计与实现简

空间交会对接时,空空通信系统需在两个航天器之间建立双向通信链路,完成两者间的信息交换.在载人航天交会对接任务中,空空通信系统担负交会对接段以及撤离段航天器间的双向链路数据传输任务.针对不同的任务模式、分析不同信号的解调模型和算法特点,基于软件无线电技术确定本系统的全数字化解调算法和硬件平台设计方案,实现过程运用复用/优化设计思路,节省了逻辑资源、降低了算法复杂度.对关键指标的测试表明,该设计可满足空空通信系统的指标需求.     

Super twisting controller for on-orbit servicing to non-cooperative target

A relative position and attitude coupled controller is proposed for rendezvous and docking between two docking ports located in different spacecraft. It is concerned with servicing to a tumbling non-cooperative target spacecraft in arbitrary orbit subjected to external disturbances.By considering both kinematic and dynamical coupled effects of relative rotation on relative translation, a coupled dynamic model is established to represent the relative motion of docking port on target spacecraft with respect to another on the service spacecraft. The spacecraft control is based on the second order sliding mode algorithm of super twisting(ST). It is schemed to manipulate the relative position and attitude synchronously. A formal proof of the finite time convergence property of the closed-loop system is derived theoretically by the second method of Lyapunov. Numerical simulations with the designed ST controller are presented to validate the analytic analysis by contrast with the twisting control algorithm. Simulation results demonstrate that the proposed relative position and attitude integrated controller is characterized by high precision, strong robustness and high reliability.     

翻滚非合作目标逼近与跟踪的轨道和姿态控制

面向近距离逼近与捕获翻滚非合作目标的在轨服务空间清理任务需求,研究了航天器非合作式交会对接的轨道和姿态控制问题。在控制输入受限约束下,考虑存在参数不确定性和外部扰动的情况,结合滑模控制和自适应控制技术,分别进行鲁棒自适应位置和姿态控制器设计。利用自适应控制估计参数不确定性、未知干扰上界以及滑模控制反馈系数矩阵,提高了系统的鲁棒性。通过李雅普诺夫理论证明了系统在控制器作用下全局一致最终有界稳定。仿真结果验证了控制器的有效性,能够有效解决与高速旋转非合作目标的稳定相对位姿关系建立的难题。     

空间对接地面半物理仿真台系统仿真研究

 飞行器空间对接地面半物理(HIL)仿真台是进行空间对接技术研究、对接机构地面检测以及对接过程的故障复现等多种用途的关键设备。论文阐述了飞行器空间对接地面半物理仿真台系统建构思想。在此基础上推导出空间对接地面半物理仿真台的空间对接动力学模型。基于物理建模的思想，用SimMechanics工具箱建立了空间对接地面半物理仿真台的机械系统，用Matlab/Simulink建立了控制系统模型，建构了虚拟空间对接地面半物理仿真台。采用滞后补偿等使系统的闭环动态性能达到要求。在空间对接地面半物理仿真台虚拟样机上，采用无阻尼振荡模型对空间对接动力学模型等进行了验证，对空间对接的缓冲过程进行了仿真。仿真结果表明空间对接动力学模型是正确的，空间对接地面半物理仿真台系统的建构思想是可行的。     

对接仿真试验台杠铃式质量惯量模拟技术研究

针对地面航天器对接动力学全物理仿真试验台,提出采用质量惯量模拟技术模拟航天器的质量、惯量特性,以便灵活的适应不同吨位航天器对接试验。设计了杠铃式质量惯量模拟结构。介绍了杠铃式模拟件的结构特点,确定调整参数,调整范围,对模拟误差进行了分析。结果表明杠铃式质量惯量模拟件模拟准确,调整简单、方便。     

对失控航天器在轨服务的自适应滑模控制器设计

为实现对自由翻滚的失控目标航天器进行在轨服务,基于二阶滑模控制算法设计了相对位置与姿态耦合的自适应控制器。考虑相对转动对相对平动的耦合作用,建立了两航天器对接端口间相对位置与姿态耦合的动力学模型,并在此基础上设计了自适应Super twisting控制器,以减弱已知界限的有界干扰所产生的震颤效应,使闭环系统在有限时间内收敛到平衡点。利用李雅普诺夫方法证明了有界干扰下的闭环系统稳定性,并对收敛时间的上界进行了估计。仿真结果表明,与Super twisting算法相比,所设计的自适应二阶滑模控制器对参数不确定性及线性增长有界干扰具有较强的鲁棒性,且控制精度满足在轨服务的任务需求。     

Composite anti-disturbance position and attitude control for spacecrafts with parametric uncertainty and flexible vibration

The rendezvous and proximity operations with respect to a tumbling non-cooperative target pose high requirement for the position and attitude control accuracy of servicing spacecraft.However, multiple disturbances including parametric uncertainties, flexible vibration, and unknown nonlinear dynamics degrade the control performance significantly. In order to enhance the system anti-disturbance ability, this paper proposes a composite anti-disturbance control law for the spacecraft position and at...     

基于新型终端滑模的航天器执行器故障容错姿态控制

针对受干扰的刚体航天器冗余执行器存在故障与控制受限的姿态跟踪控制问题,提出一类基于新型指数形式的非奇异快速滑模面（ENFTSM）与趋近律的姿态容错控制器设计方法。当部分推力器发生故障时,假设剩余推力器具有输出饱和特性且能提供足够推力保证航天器执行任务,相比一般终端滑模控制器,本文设计的控制器不仅能使系统状态以更快的速度到达平衡点,且不需要在线对执行器故障信息进行检测和分离。基于Lyapunov方法证明本文设计的控制器能保证闭环系统稳定,且能有效地抑制外部干扰、控制受限和执行器故障等约束。最后对提出的控制算法进行了数值仿真,其结果表明了该控制器的有效性。     

基于新型终端滑模的航天器执行器故障容错姿态控制简

 针对受干扰的刚体航天器冗余执行器存在故障与控制受限的姿态跟踪控制问题,提出一类基于新型指数形式的非奇异快速滑模面（ENFTSM）与趋近律的姿态容错控制器设计方法。当部分推力器发生故障时,假设剩余推力器具有输出饱和特性且能提供足够推力保证航天器执行任务,相比一般终端滑模控制器,本文设计的控制器不仅能使系统状态以更快的速度到达平衡点,且不需要在线对执行器故障信息进行检测和分离。基于Lyapunov方法证明本文设计的控制器能保证闭环系统稳定,且能有效地抑制外部干扰、控制受限和执行器故障等约束。最后对提出的控制算法进行了数值仿真,其结果表明了该控制器的有效性。     

一种用于空间交会绕飞与逼近段的模糊控制律

研究了空间交会绕飞与最后逼近段的控制问题,设计出一种用于实现绕飞与逼近控制的模糊控制方案。在考虑测量误差的情况下,分别利用最小二乘与卡尔曼滤波方法对测量数据进行优化处理,并采用模糊控制方案实现绕飞与逼近段的仿真,仿真结果证实了模糊控制算法控制精度可以满足交会任务的需要,也验证了在具有测量误差条件下不同仿真方案所采用的模糊控制策略的有效性。