轮控航天器的IMM自适应反步变结构容错控制

针对存在飞轮故障、转动惯量不确定性和干扰力矩的轮控航天器姿态机动问题,提出了一种基于交互多模型算法(IMM)的自适应反步变结构容错控制方法。该方法可以有效提高系统控制精度,保证航天器姿态机动误差收敛到系统平衡点的较小邻域;同时有效减小飞轮抖振,降低诊断不确定性对系统的影响。最后在Matlab/Simulink环境下对航天器姿态机动进行了仿真研究,结果表明了提出的控制算法在处理航天器姿态机动问题方面的有效性和可行性。     

航天器姿态机动规划技术研究进展

以航天器多约束姿态控制为背景,围绕姿态机动路径的复杂约束处理问题,对姿态机动规划技术的规划模型、方法研究现状与未来发展趋势进行了论述、分析与归纳。首先介绍了航天器姿态机动规划模型,随后梳理并总结了航天器姿态机动规划技术发展历程及现状,从方法逻辑、设计思想等方面对姿态机动规划方法进行分类和关键技术分析,进一步根据技术发展脉络和未来航天任务需求,提出了航天器姿态机动规划技术的若干发展趋势。     

携带晃动燃料柔性航天器姿态机动中的同宿环分叉研究

本文研究了带液体晃动和柔性附件的耦合航天器系统在液体燃料耗散和柔性附件扭转振动的作用下,经历从最小惯量轴到最大惯量轴姿态机动中的混沌动力学行为.将液体晃动等效为球摆模型并由此建立了带柔性附件充液航天器多体耦合系统动力学模型.首先推导出耦合系统动力学方程并采用Melnikov积分预测受扰系统稳定与不稳定流形是否横截相交,得到了参数形式表达的混沌运动解析判据,这对航天器的设计有重要的指导意义.研究发现,混沌的发生依赖于刚体形状,阻尼比,充液比和扭转振动频率.此外,在经过被动再定向姿态机动后,由于液体晃动的本质非线性特性,充液航天器最终将进行大章动角的周期极限环运动而非绕着最大惯量轴自旋.     

液体大幅晃动类等效力学模型研究

基于液体大幅晃动等效力学模型研究充液航天器动力学与控制问题。首先,发展并完善了模拟液体大幅晃动的运动脉动球模型（MPBM）,结合已有的液体大幅晃动运动规律和分析结论对MPBM的法向力的计算方法进行了改进;通过数值仿真结果与已有试验结果的对比证明了以上改进工作的有效性。然后,基于MPBM建立了携带多个充液储箱的航天器动力学模型,针对携带四个储箱的充液航天器进行姿态机动控制研究。研究结果表明,四个充液储箱的三种可能的空间布局对航天器姿态机动过程中的角速度、液体晃动力矩和控制力矩将产生不同的影响;此外,还研究了液体大幅晃动等效力学模型中液体晃动阻尼因素对航天器姿态机动控制的影响。     

航天器姿态机动的鲁棒自适应控制器设计

针对存在未知惯量矩阵和外干扰力矩的刚体航天器姿态机动问题,将自适应反步法与非线性阻尼算法结合起来,提出了一种鲁棒自适应控制器。所设计的控制器实现了对航天器惯量参数的估计,克服了外干扰力矩引起的不确定性,保证了闭环系统的所有状态是全局一致最终有界的,使得航天器姿态机动误差收敛到系统平衡点的一个较小邻域。最后在Matlabs Simulink环境下对航天器姿态机动系统进行了仿真研究,仿真结果表明了提出的控制算法处理航天器姿态机动问题的有效性和可行性。     

欠驱动航天器飞轮控制方法

针对应用任意剪刀对构型飞轮群的欠驱动刚体航天器姿态控制问题,将飞轮群与航天器看作整体系统进行建模,从整体系统可控性角度分析采用传统模型进行控制系统设计存在的局限性。随后通过对飞轮群角动量集合描述,得出航天器姿态可机动集合。由于飞轮群构型的任意性及航天器的欠驱动特性,导致具有初始角动量的整体系统难以针对系统状态方程采用Lyapunov函数方法进行状态反馈控制器设计,同时为了保证存在外扰动力矩的航天器姿态机动精度,采用非线性预测控制方法实现系统的反馈控制。所提控制算法实现了任意飞轮群剪刀对构型、飞轮群角动量非饱和条件下,任意系统初始角动量欠驱动航天器在姿态可机动集合中的机动控制。仿真结果表明,系统具有良好的控制性能及精度。     

欠驱动挠性航天器的全姿态控制

考虑欠驱动挠性航天器姿态控制问题,其中执行机构配置为两轴喷气和飞轮执行机构。提出了“喷气消旋＋飞轮机动”的分段控制方法,其基本思想是：首先利用喷气推进执行机构使航天器整星角动量趋于零,为飞轮控制做准备;然后利用飞轮执行机构使航天器从任意姿态转向指定姿态并维持。针对“喷气消旋”,说明了提出的控制规律能够保证航天器角动量全局渐近收敛于任意小量;针对“飞轮机动”,证明了航天器全姿态具有大范围渐近稳定性;针对“喷气消旋＋飞轮机动”的完整过程,采用扰动系统理论分析了闭环控制系统的大范围终端有界性。     

失效航天器的姿态机动接管控制

为实现失效航天器寿命延长的目的,采用接管控制技术接管失效航天器姿态控制系统。针对姿态机动接管控制中,失效卫星参数不确定和推力器构型矩阵突变的问题,提出一种基于控制系统重构的失效航天器姿态机动接管控制方法。首先采用指令滤波backstepping控制来重构姿态机动接管控制律,并利用Lyapunov方法分析系统稳定性;然后对推力器构型矩阵进行重构;最后考虑燃料消耗和控制输入受限问题,通过基于约束最优二次规划的动态控制分配算法对推力器推力进行控制重分配。采用本文方法实现了对燃料耗尽航天器和部分执行机构失效航天器的姿态机动接管控制。数值仿真证明了该方法的有效性。     

柔性航天器姿态机动轨迹设计及跟踪控制

针对柔性航天器姿态机动的“快速性”及“稳定性”矛盾,研究了一种优化与控制综合的姿态机动轨迹设计与跟踪控制方法。首先,考虑柔性航天器姿态机动过程中既快又稳的需求,建立姿态机动的多目标多约束条件,优化获得姿态机动轨迹,在满足快速性基础上,最大限度提高稳定性;其次,设计新型的快速鲁棒输入成形器(FRIS),与传统输入成形器相比,FRIS具有更短的作用时间及更强的鲁棒性,能够有效抑制柔性附件振动,为姿态机动的“快速性”及“高精度”奠定基础;最后,设计新型自适应连续终端滑模控制器(ACTSMC),避免增益过估计,提高控制精度,实现对期望姿态轨迹的有限时间快速高精度跟踪控制。数值仿真校验了所提方法的有效性。     

充液挠性航天器姿态机动控制的多目标优化

针对充液挠性航天器姿态快速机动、快速稳定的控制要求,为减小姿态机动对挠性附件振动和液体晃动的激发,设计了一种基于正弦型加加速度的姿态机动路径规划方法。为进一步提高姿态控制性能,提出了一种基于云多目标粒子群算法的姿态控制器参数和机动路径参数联合优化方法。以最小化充液挠性航天器三轴姿态达到指定指向精度的时间以及三轴姿态稳定度,构建多目标优化模型,并应用云多目标粒子群算法求取姿态控制器参数和机动路径参数的Pareto最优解。仿真结果表明:采用多目标联合优化算法得到的控制器与路径参数,能够有效减小液体晃动和挠性附件振动,显著提高充液挠性航天器大角度姿态机动的快速性和稳定性。     

航天器的起旋和消旋运动

本文利用轴对称刚体在自身力矩作用下,绕定点运动的一阶正规型运动微分方程代替欧拉方程,讨论航天器的起旋和消旋运动。给出两个卡尔丹角为小量时运动方程的解析积分,由此直接导出航天器相对质心的动量矩矢量及自旋轴在起旋和消旋运动中的变化规律。并以伽里略航天器作为具体对象进行了数值计算。     

一种翻滚火箭箭体的运动参数估计方法

针对处于自由翻滚运动状态的火箭箭体,其呈回转体结构,运动参数估计难的问题,提出了一种翻滚火箭箭体的运动参数估计方法.采用激光成像雷达获取目标的三维点云数据,通过点云法向量估计和随机采样一致性算法计算得到自旋轴;然后结合序列各帧的自旋轴估计结果,采用最小二乘法求解得到翻滚火箭箭体的翻滚轴;进而利用相邻两帧的自旋轴和翻滚轴...     

含固定转速驱动电机的挠性卫星自旋稳定性分析

分析一类含驱动电机挠性卫星的自旋稳定性,应用不变集定理证明了系统轨迹收敛于系统平衡点集,并通过构造正定的单调递减的类能量函数来判断各平衡点的稳定性质。获得的结论包括：由于挠性振动阻尼特性,在无外扰力矩作用时,含固定转速驱动电机的挠性卫星存在稳定的自旋;不含驱动电机的挠性卫星,稳定的自旋轴为其最大主惯量轴;驱动电机可改变挠性卫星的自旋轴,给出了稳定的自旋轴与电机转速方向夹角公式,该夹角为锐角;当电机转动角动量幅值远小于系统角动量时,稳定自旋轴接近最大主惯量轴;电机转动角动量幅值越接近系统角动量,稳定自旋轴越接近电机转动方向。文中也给出了稳定自旋轴平行电机转轴的条件。     

Dynamics and chaos control of asymmetric gyrostat satellites

The motion of a free gyrostat consisting of a platform with a triaxial ellipsoid of inertia and a rotor with a slight asymmetry with respect to the axis of rotation is considered. Dimensionless equations of motion for a system with perturbations caused by the small asymmetries of the rotor are written in Andoyer-Deprit variables. These perturbations result in a chaotic layer in the separatrix vicinity. Heteroclinic and homoclinic trajectories are written in analytical form for gyrostats with different ratios of their moments of inertia. These trajectories are used to construct a modified Melnikov function, and to produce control that eliminates separatrix chaos. The Poincare sections and Melnikov function are constructed via numerical modeling that demonstrates the effectiveness of control.     

基于稀疏信号表示的空间碎片成像

地基雷达一直是空间碎片监测的有力工具,研究如何利用它们对尺寸小于距离分辨率的目标进行成像具有重要意义。基于空间碎片通常会围绕它的主轴进行简单的自旋转运动这一事实,通过对目标回波模型的分析,本文提出了一种基于稀疏信号表示的空间碎片成像方法。该方法将成像问题转化为稀疏信号分解问题,首先以各个散射点的散射特性作为元素构建字典,然后通过采用现有的方法对单个距离单元横向回波数据的稀疏信号表示进行求解,最后对求解的结果重新排列以得到目标的二维高分辨图像。仿真实验结果表明了本方法的正确性。     

液体火箭发动机喷管内加质流场的数值模拟

本文对将液体火箭发动机涡轮排气引入喷管所形成的加质流场进行数值模拟，求解多种气体混合流动的三维Ｎ－Ｓ方程，预示了加质发动机的性质，结果表明：将涡轮排气引入喷管不仅可以用于壁面的冷却，而且还有利于发动机性能的提高。     

On the stability of spinning satellites

We study the directional stability of rigid and deformable spinning satellites in terms of two attitude angles. The linearized attitude motion of a free system about an assumed uniform-spin reference solution leads to a generic MGK system when the satellite is rigid or deformable. In terms of Lyapunov’s stability theory, we investigate the stability with respect to a subset of the variables. For a rigid body, the MGK system is 6-dimensional, i.e., 3 rotational and 3 translational variables. When flexible parts are present the system can have any arbitrary dimension. The 2×2 McIntyre–Myiagi stability matrix gives sufficient conditions for the attitude stability. A further development of this method has led to the Equivalent Rigid Body method. We propose an alternative practical method to establish sufficiency conditions for directional stability by using the Frobenius–Schur reduction formula. As practical applications we discuss a spinning satellite augmented with a spring–mass system and a rigid body appended with two cables and tip masses. In practice, the attitude stability must also be investigated when the spinning satellite is subject to a constant axial thrust. The generic format becomes MGKN as the thrust is a follower force. For a perfectly aligned thrust along the spin axis, Lyapunov’s indirect method remains valid also when deformable parts are present. We illustrate this case with an apogee motor burn in the presence of slag. When the thrust is not on the spin axis or not pointing parallel to the spin axis, the uniform-spin reference motion does not exist and none of the previous methods is applicable. In this case, the linearization may be performed about the initial state. Even when the linearized system has bounded solutions, the non-linear system can be unstable in general. We illustrate this situation by an instability that actually happened in-flight during a station-keeping maneuver of ESA’s GEOS-I satellite in 1979.     

地球扁率引起红外地平仪姿态量测误差的数学模型

本文讨论了地球扁率引起红外地平仪的姿态量测误差的数学模型，导出解析形式姿态误差计算公式，可在任意轨道根数和扫描轴安装角情况下用于误差补偿。算例表明，利用本文导出的解析公式与利用数值方法的计算结果完全一致。     

嫦娥五号探测器多圈调相地月转移应急轨道设计与分析

针对嫦娥五号任务上升段末期火箭二级发动机可能出现的提前关机故障造成入轨半长轴偏差较大和中途修正速度增量超限问题,提出了多圈调相地月转移轨道应急控制策略.首先,分析了不同入轨半长轴偏差、中途修正时刻与中途修正速度增量消耗之间的关系;其次,针对半长轴偏差较大问题,基于微分改正算法与B平面参数,设计了解析窗口搜索与多圈调相地...