可重复使用空间飞行器的飞行控制

分析了空间飞行器飞行控制系统要解决的问题,空间飞行器的发展过程,各类空间飞行器飞行控制系统设计目的和主要特点,可重复使用的发射飞行器飞控系统的主要设计要求,在设计要求的确定,飞行控制律设计和飞行控制系统设计中要解决的关键技术.      

基于前向补偿的再入飞行器制导控制一体化设计

针对再入飞行器的制导控制问题,提出了一种基于前向补偿的滑模制导控制一体化设计方法。首先,建立了面向控制的再入飞行器制导控制一体化控制模型。其次,设计了非线性干扰观测器对未知干扰进行实时观测,基于反演法和滑模控制方法设计了传统的一体化控制律。在此基础上,改进了滑动模态设计消除系统间的耦合,设计了具有前向补偿的再入飞行器制导控制一体化控制系统,使得整个制导系统是有限时间稳定的。最后,非线性六自由度数字仿真结果表明,相对于传统一体化设计方法和分离设计方法,该方法具有更好的制导性能和鲁棒性。     

高超声速变外形飞行器建模与有限时间控制

针对高超声速变外形飞行器变形带来的参数摄动大、变形过程建模难、外界干扰复杂等大不确定问题,研究了一类可变后掠飞行器建模与姿态控制问题,设计了一种有限时间控制方案。针对变外形飞行器建立了带有变形量的面向姿态控制的三自由度模型,该模型能够反映出变外形飞行器的内在影响。分析了变外形飞行器在典型状态下的气动特征,并给出了连续变形关键气动数据可行处理方案。针对可连续变形的飞行器设计了一套有限时间控制方案,并证明了系统稳定性。进一步考虑控制律中用到的指令微分项,设计了有限时间指令收敛滤波器。利用扩张状态观测器,估计不易测量状态和“综合扰动”。以考虑复杂干扰下的高超声速变外形飞行器为对象进行仿真,结果表明：所设计的控制方案可解决不同变形速率下、存在复合干扰的飞行器姿态控制问题。     

基于事件驱动的多飞行器编队协同控制

针对多飞行器系统协同控制问题,研究了基于事件驱动机制的控制设计方法。结合有向通信拓扑和编队位置描述建立了空间多飞行器系统的模型,在飞行器编队中引入事件驱动方法,设计了一般形式的事件触发函数,在非触发时间内利用触发时刻的信息生成了协同控制律,使得飞行器在非持续通信下能够形成三维空间任意给定的队形,并从理论上给出了协同控制问题的稳定性证明。提出的方法不需要飞行器系统的全局信息,飞行器只需要在触发时刻进行通信和控制器的更新,更有利于实际情形中的应用。仿真结果验证了该方法的有效性。     

天宫一号目标飞行器控制计算机的设计与验证

与载人航天一期＂轨道舱＂相比,载人航天二期天宫一号目标飞行器对控制计算机的功能、性能和环境适应性都提出了更高的要求.依据GNC分系统对控制计算机的功能与可靠度需求,介绍天宫一号目标飞行器控制计算机的容错方案、硬件设计、系统软件设计、可靠性分析和试验验证情况,地面验证结果表明：天宫一号目标飞行器控制计算机设计满足GNC分系统的需求.     

目标飞行器交会对接轨道的设计和控制

根据目标飞行器轨道高度和追踪飞行器入轨轨道高度,给出了目标飞行器交会对接轨道初始相位的设计方法。针对目标飞行器交会对接轨道控制要求,建立了共面相位计算模型以及轨道相位、高度和圆化度的多目标参数求解模型。基于定轨误差、轨道控制误差和轨道预报误差的调相时间分析,制定了目标飞行器调相控制策略。仿真计算表明,实现的目标飞行器交会对接轨道满足要求,验证了调相控制量优化原则的正确性,并对标称共面与虚拟共面的共面时刻和共面相位进行了比较。所提出的计算模型、控制策略和分析方法适用于目标飞行器交会对接轨道设计和控制实施。     

非晶带材磁性卷取辊吸附特性数值模拟

卷取辊(TUR)是非晶带材自动化生产线中的一个关键部件,卷取辊的起卷效率决定带材质量及生产效率.由于起卷过程中非晶带材运行线速度较高且受到不同的阻力,卷取辊需要提供足够的吸附力用来满足不同的阻力条件.根据带材生产工艺需求,设计出钕铁硼(NdFeB)永磁吸附型磁性卷取辊结构.利用有限元方法对不同起卷卷取步骤中的磁吸附特性进行分析,得到了磁性卷取辊在不同气隙下各个方向上的磁吸附力变化趋势云图和磁场分布.计算结果表明,气隙小于30 mm时,在给定的空间范围内,磁性卷取辊磁吸附力能够克服各个阻力完成起卷卷取过程.最终,通过现场实验验证了不同气隙下的最大磁吸附力与仿真结果变化趋势一致.      

四轴飞行器姿态监控系统设计

设计了一套四轴飞行器上位机监控系统。针对准确掌握四轴飞行器的实时姿态、位置等信息和对四轴飞行器进行精准控制两大核心问题,开发了由上位机实现四轴飞行器姿态数据采集、通信及控制等功能的监控系统。监控系统良好的功能设计和友好的人机界面使得用户能够准确掌握飞行器的飞行信息,从而能够更精准地控制四轴飞行器飞行姿态。实验验证,监控系统简单实用,性能稳定,精度高,使整个飞行系统抗干扰能力强,鲁棒性、稳定性好。     

基于切换系统的变体飞行器鲁棒自适应控制

针对变体飞行器变形过程的控制问题,将切换系统理论与多变量自适应控制理论相结合,提出了一种基于切换系统的鲁棒自适应控制器设计方法。首先,建立了变体飞行器纵向短周期线性切换模型,描述了飞行器的整个变形过程;然后,设计了一种改进的鲁棒自适应控制律,抑制了各类干扰和不确定性对系统的影响,实现了切换系统对参考模型的良好跟踪;最后,提出了一种基于模型依赖驻留时间（MDDT）的切换控制律,保证了变体飞行器在变形切换过程中的稳定性,利用Lyapunov函数方法证明了本文方法最终一致有界。仿真验证表明,在存在外部干扰和各类不确定性的情况下,本文方法能保证飞行器在变形过程中精确跟踪参考模型,且具有较好的抗干扰能力。      

基于切换多胞模型的变体飞行器增益调参控制

针对一类可变后掠翼的变体飞行器,研究了全包线控制器的设计与综合方法.建立了基于切换多胞系统的变体飞行器模型,所提出的框架利用Lyapunov函数方法分析系统的稳定性,能够从理论上保证变体飞行器在全包线下的飞行稳定.给出了利用小凸包算法从三维飞行包线中选取设计点的方法,并对各设计点处的线性化模型设计了最优控制律.为继承传统增益调参方法的优势,提出了一种特殊的控制器插值方法,保证变体飞行器三维包线下的控制综合过程简便实用.仿真结果表明所提出的控制方法在飞行器快速变形和参数大范围快速变化的情况下仍具有良好的控制性能.      

常推力作用下飞行器固定时间最优交会

研究了在常推力作用下,两个空间飞行器的固定时间最省燃料交会问题。通过对飞行器交会过程中最优推力弧段的研究,给出了关于飞行器的最优推力弧段的几个性质。这些结果为空间飞行器交会对接的工程设计提供了理论依据。     

充液航天器质量特性计算方法研究

充液航天器的质量特性对飞行动力学建模和控制设计有着重要影响。质量特性测量装置通常只能测出干重状态下航天器的质量特性，而充液状态下的航天器质量特性只能靠计算给出，其中如何计及各贮箱内液体的惯性张量是此类工程计算的难点。首先采用势流理论推导了任意形状贮箱内液体质量特性的一般表达式，包括全充液情况和部分充液情况，其中对部分充液情况考虑了自由液面小幅晃动的影响；然后采用三维有限元方法建立了液体质量特性的数值计算方法，并通过一个验证算例确认了该计算方法的有效性；最后应用该方法计算了一个充液航天器的质量特性，并研究了不同的液体处理方法对计算结果的影响。研究表明，工程上通常采用的“固化液体”处理方法所计算出来的转动惯量明显偏大，而所提出的计算方法具有更好的理论正确性和工程适用性。     

柔性航天器IPACS建模与动力学分析

利用拟坐标下的拉格朗日方程和动量矩定理,建立了带变速控制力矩陀螺群(VSCMGs,Variable Speed Control Moment Gyroscopes)的柔性航天器的能量/姿态一体化控制系统(IPACS, Integrated Power/Attitude Control System)的动力学模型,该模型适合于姿态控制律设计及VSCMGs操纵律设计.采用动量管理和VSCMGs构型选取相结合的方法,有效地避免了VSCMGs设计时可能出现的奇异问题.分析了采用VSCMGs的柔性航天器IPACS中的动力学耦合问题,并以某大型航天器为例进行了数值仿真.分析和仿真结果显示出,当VSCMGs的力矩轴接近(或陷入)奇异或进行储/放能切换时,VSCMGs都会对柔性附件造成显著影响.      

航天器内部磁场环境主动补偿方法

为解决空间引力波探测任务中航天器磁场对惯性传感器干扰的问题,研究在航天器复杂磁环境下利用主动测控方式获取小尺度均匀磁场环境的方法.在惯性传感器周围进行分布式磁场探测,并采用球谐函数法或多磁偶极子法实现对惯性传感器外部磁源的估计,计算惯性传感器所处位置的空间磁场及其梯度分布.利用线圈技术,对磁场及其梯度进行线性补偿.讨论分析传感器数量以及磁源布局方式等因素对最终补偿效果的影响.仿真试验结果表明,通过这一方法可将惯性传感器所在区域的磁场及其梯度降低1～2个数量级,降低引力波航天器平台的剩磁控制压力,为引力波探测提供满足要求的磁场环境.      

Modified gradiometer technique applied to Double Star (TC-1)

On TC-1 (Tan Ce 1), the equatorial spacecraft of the Double Star mission, a strong spin-synchronized magnetic interference from the solar panels was observed. In-flight correction techniques for spinning spacecraft that are based on minimizing spin tones in the spin-aligned component and in the magnitude of the ambient magnetic field are therefore not possible in this case. However, due to the fortunate situation that the spacecraft carries two flux-gate magnetometers on the same boom (at 0.5 m distance from each other), the spacecraft field effects could be removed from the spin-averaged data to achieve 0.2 nT relative accuracy, by using a gradiometer technique. Methodology and results are presented. The obtained accuracy allows the use of the data in multi-spacecraft studies together with the Cluster satellites.     

电磁航天器编队悬停鲁棒协同控制方法

针对电磁航天器编队近地轨道悬停问题,提出一种在缺少参考轨道准确信息时的协同控制方法。用TH方程描述航天器间的相对运动,选择与参考轨道同周期的圆轨道为标称轨道。将参考轨道相对于标称圆轨道的偏差、地球非球形引力、大气阻力及其他天体引力等参数单独归类,视其为不确定量,构成不确定系统。通过引入一致性理论,在电磁作用模型和动力学方程均存在不确定性的条件下,针对航天器编队悬停的目标设计了鲁棒协同控制律。考虑能量消耗最优和均衡以及轨道姿态解耦,给出了通过优化进行磁矩配置的方案。仿真结果表明,所设计的鲁棒协同控制律能够实现编队电磁航天器高精度悬停,所给出的磁矩配置方案能够实现磁矩的合理分配。      

Optimal spacecraft formation establishment and reconfiguration propelled by the geomagnetic Lorentz force

The Lorentz force acting on an electrostatically charged spacecraft as it moves through the planetary magnetic field could be utilized as propellantless electromagnetic propulsion for orbital maneuvering, such as spacecraft formation establishment and formation reconfiguration. By assuming that the Earth’s magnetic field could be modeled as a tilted dipole located at the center of Earth that corotates with Earth, a dynamical model that describes the relative orbital motion of Lorentz spacecraft is developed. Based on the proposed dynamical model, the energy-optimal open-loop trajectories of control inputs, namely, the required specific charges of Lorentz spacecraft, for Lorentz-propelled spacecraft formation establishment or reconfiguration problems with both fixed and free final conditions constraints are derived via Gauss pseudospectral method. The effect of the magnetic dipole tilt angle on the optimal control inputs and the relative transfer trajectories for formation establishment or reconfiguration is also investigated by comparisons with the results derived from a nontilted dipole model. Furthermore, a closed-loop integral sliding mode controller is designed to guarantee the trajectory tracking in the presence of external disturbances and modeling errors. The stability of the closed-loop system is proved by a Lyapunov-based approach. Numerical simulations are presented to verify the validity of the proposed open-loop control methods and demonstrate the performance of the closed-loop controller. Also, the results indicate the dipole tilt angle should be considered when designing control strategies for Lorentz-propelled spacecraft formation establishment or reconfiguration.     

空间飞行器总体设计的电磁兼容性问题

结合空间飞行器总体设计的特点,介绍了电磁兼容性概念及其发展过程;分析了空间飞行器所处的电磁环境,指出总体设计中的若干电磁兼容性问题;提出了空间飞行器研制各阶段中开展电磁兼容性工作的流程图,强调必须在目前和今后各种型号的空间飞行器研制中引起充分的重视。     

火星表面热环境对航天器热控影响分析

火星大气对太阳辐射产生吸收和散射作用,同时还将与火星表面航天器发生对流换热.热设计时难以直接评估对流、辐射和导热三种换热对航天器的影响,从而确定主要的控温途径.在调研火星表面辐射、大气等热环境的基础上,从线性化传热系数和对流辐射比的角度对比分析了辐射、对流和导热对航天器的影响.器表辐射传热系数随光学属性和温度的变化范围...     

Science objectives of the magnetic field experiment onboard Aditya-L1 spacecraft

The Aditya-L1 is first Indian solar mission scheduled to be placed in a halo orbit around the first Lagrangian point (L1) of Sun-Earth system in the year 2018–19. The approved scientific payloads onboard Aditya-L1 spacecraft includes a Fluxgate Digital Magnetometer (FGM) to measure the local magnetic field which is necessary to supplement the outcome of other scientific experiments onboard. The in-situ vector magnetic field data at L1 is essential for better understanding of the data provided by the particle and plasma analysis experiments, onboard Aditya-L1 mission. Also, the dynamics of Coronal Mass Ejections (CMEs) can be better understood with the help of in-situ magnetic field data at the L1 point region. This data will also serve as crucial input for the short lead-time space weather forecasting models.The proposed FGM is a dual range magnetic sensor on a 6?m long boom mounted on the Sun viewing panel deck and configured to deploy along the negative roll direction of the spacecraft. Two sets of sensors (tri-axial each) are proposed to be mounted, one at the tip of boom (6?m from the spacecraft) and other, midway (3?m from the spacecraft). The main science objective of this experiment is to measure the magnitude and nature of the interplanetary magnetic field (IMF) locally and to study the disturbed magnetic conditions and extreme solar events by detecting the CME from Sun as a transient event. The proposed secondary science objectives are to study the impact of interplanetary structures and shock solar wind interaction on geo-space environment and to detect low frequency plasma waves emanating from the solar corona at L1 point. This will provide a better understanding on how the Sun affects interplanetary space.In this paper, we shall give the main scientific objectives of the magnetic field experiment and brief technical details of the FGM onboard Aditya-1 spacecraft.