Nonlinear 6-DOF control of spacecraft docking with inter-satellite electromagnetic force

Compared to traditional docking systems, spacecraft docking with inter-satellite electromagnetic mechanism has distinct advantages. However, its 6-DOF control problem has not been adequately investigated. From our knowledge, this paper attempts to study the 6-DOF control problem for the first time. Based on the far-field electromagnetic force model and Hill's model, the dynamic model of translational motion is derived; using tracking control strategy, LQR method and estimate of Extended State Observer (ESO), an optimal and robust translational controller is designed to satisfy relative position/velocity requirements of soft docking. Representing the attitude of the docking spacecraft pair by unit quaternion, the attitude dynamic and kinematic models with quaternion expression are derived; using behavior-based coordinated control approach and ESO, a decentralized attitude controller is designed to simultaneously align one spacecraft with its absolute desired attitude and with the other spacecraft of the docking pair, requiring no angular velocity measurement and exhibiting better robust capability. The feasibility and performance of this proposed 6-DOF controller are validated by theoretical deduction and simulation results.     

Collective trajectory planning for satellite swarm using inter-satellite electromagnetic force

The inter-satellite electromagnetic force presents several significant advantages that help to expand its space applications to the multi-satellite missions gradually. For a satellite swarm, whether the electromagnetic force is applied to enable collective maneuver and how to provide a better performance and broader applications for such swarm highlight an important issue. Considering the trajectory planning problem of satellite swarm using inter-satellite electromagnetic force, a behavior-based collective planning scheme is developed by designing the desired velocity of each satellite as the sum of several different behavioral contributions, which are used to represent the internal and external interactions of the swarm. Therefore, the desired configuration is associated with the equilibrium points of the pre-designed kinematical field. Furthermore, the trajectory planning problem could be translated to a parameter optimization problem considering the swarm dynamics with inter-satellite electromagnetic force. Then based on the analysis of the applicability and advantages triggered by integrating the inter-satellite electromagnetic force into such behavior-based planning scheme, the collective trajectory planning problem with sole electromagnetic force actuation and hybrid actuation with thruster are studied respectively. Numerical simulations are carried out to verify the validity of the proposed algorithm, and the satellite swarm performance enhanced by inter-satellite electromagnetic force is discussed at last.     

一种分布式卫星构形变换路径规划方法

在一种分层控制体系结构下研究了分布式卫星系统的构形变换问题。以控制量的二次型性能指标作为构形变换控制的优化指标,线性离散模型下的构形变换动力学约束作为基本约束,将构形变换的路径规划问题作为一个二次规划问题求解,并给出了数值仿真的算例。在单个绕飞星构形变换规划算法的基础上,提出了一种整体优化方法,使构形变换过程中整体能量最优,依此作为构形变换的顶层规划方法,并给出了仿真结果。     

空间电磁对接的鲁棒非线性轨迹跟踪控制

基于电磁力实现空间对接控制可以避免常规小发动机所固有的推进剂消耗、羽流污染和对接冲击等问题,且性价比高,在小卫星领域应用前景广阔。空间电磁对接控制设计存在强非线性和强耦合性问题,电磁力建模具有不确定性。论文综合应用反馈线性化和鲁棒H∞控制设计方法,采用内外环控制策略,内环采用非线性状态反馈控制实现输入-输出线性化,外环采用鲁棒H∞控制实现对模型乘性不确定性的稳定控制。理论分析与仿真表明,基于内环反馈线性化和外环鲁棒H∞控制的综合设计方法能解决电磁力模型的强非线性问题,对模型不确定性具有较强鲁棒性,轨迹跟踪性能良好。     

卫星编队飞行相对位置自适应协同控制

针对卫星编队飞行相对位置协同控制问题,基于编队卫星相对运动非线性动力学方程和一致性理论设计了两种自适应协同控制器。首先,在卫星质量不确定和星间信息交互存在通信时延的条件下,设计了一种全状态反馈自适应协同控制器,并证明了该控制策略对空间摄动力的鲁棒性。其次,进一步考虑速度信息不可测的条件下,采用滤波器设计了一种无速度反馈的自适应协同控制器。最后,以编队构型重构为例对两种自适应协同控制器进行了仿真校验。仿真结果表明：两种自适应协同控制器均可有效应用于卫星编队飞行相对位置的协同控制,能够保证编队卫星对各自期望轨迹跟踪的同时暂态保持编队构型的稳定,具有较高的控制精度。     

有摩擦补偿的驱动组件高精度位置控制研究

针对柔性、摩擦影响下的谐波驱动组件高精度位置控制问题,提出了一种自适应摩擦补偿的递阶控制策略。建立了考虑谐波驱动组件柔性、摩擦的级联动力学方程,采用LuGre摩擦模型描述摩擦特性,设计双状态观测器估计LuGre模型内部不可测状态,并引入自适应律辨识未知模型参数和惯量变化,实现了谐波驱动组件的高精度位置控制,并基于Lyapunov定理证明闭环系统的稳定性和跟踪误差的渐进收敛性,通过在空间机构驱动组件测试平台上的试验结果表明,该方法有效提高了驱动组件位置控制精度和鲁棒性。     

编队飞行自主控制的自适应方法

自主的高精度相对控制是实现卫星编队任务的关键技术,自主性要求控制器尽可能只利用星载设备所能提供的测量信息以减少星间通信量,高精度要求控制器连续的消除干扰力、期望轨迹推演以及参考星轨道控制与机动所造成的跟踪误差,为此,本文推导了描述星间相对运动的完整动力学模型以及对期望轨迹的跟踪误差模型,基于Lyapunov方法设计了自适应控制器,并证明了此控制器可以保证闭环系统的最终跟踪误差小于指定的界。本文给出的控制器仅需要星间的相对位置和相对速度测量,不需要主星的轨道参数、轨道位置和轨道机动信息,从而具有较高的自主性。仿真结果表明本文给出的控制器可以完成对期望轨迹的跟踪。     

吸气式高速飞行器爬升-巡航轨迹在线优化

针对吸气式高速飞行器的大气层内爬升和巡航飞行段,进行了在线轨迹优化设计。与传统的爬升段结合定高定速巡航轨迹形式不同,采用优化的方法得到的轨迹能够保证性能指标的最优性。首先,将轨迹优化问题建模为非线性最优控制问题,控制量包括攻角、倾侧角以及燃油当量比。然后,对问题的非线性进行了处理,将变量进行离散化,得到凸优化问题。分析了飞行器的气动和推力特性,设计了优化变量的初始参考。最后,设计算法的外环迭代策略,将每一次求得的解作为参考轨迹进行下一次迭代计算。数值仿真结果表明,该方法能够解决吸气式高速飞行器爬升巡航段轨迹优化问题,并且求解时间满足在线轨迹优化要求。     

Application of SDRE technique to orbital and attitude control of spacecraft formation flying

This paper proposes the application of a nonlinear control technique for coupled orbital and attitude relative motion of formation flying. Recently, mission concepts based on the formations of spacecraft that require an increased performance level for in-space maneuvers and operations, have been proposed. In order to guarantee the required performance level, those missions will be characterized by very low inter-satellite distance and demanding relative pointing requirements. Therefore, an autonomous control with high accuracy will be required, both for the control of relative distance and relative attitude. The control system proposed in this work is based on the solution of the State-Dependent Riccati Equation (SDRE), which is one of the more promising nonlinear techniques for regulating nonlinear systems in all the major branches of engineering. The coupling of the relative orbital and attitude motion is obtained considering the same set of thrusters for the control of both orbital and attitude relative dynamics. In addition, the SDRE algorithm is implemented with a timing update strategy both for the controller and the proposed nonlinear filter. The proposed control system approach has been applied to the design of a nonlinear controller for an up-to-date formation mission, which is ESA Proba-3. Numerical simulations considering a tracking signal for both orbital and attitude relative maneuver during an operative orbit of the mission are presented.     

方位角约束自主交会变结构制导律设计

针对空间交会视线相对运动动力学模型具有时变非线性和参数不确定性的特点,提出了一种基于非线性滑动模态的自主交会变结构制导算法。通过将视线运动模型划分为横向和纵向运动模型,分别设计了相应的非线性滑动模态。横向滑动模态是一种由视线角速率、视线角和时间构成的非线性函数,而纵向滑动模态则是由距离、速率以及时间构成的非线性函数。然后,根据Lyapunov稳定性理论分别推导了横向和纵向自主交会变结构制导规律。横向制导实现了带有末端方位角约束的自主接近;纵向制导保证了软交会所要求的距离和速度协同控制。仿真结果表明,设计的方法在只使用相对信息量的前提下克服了交会模型的耦合非线性和参数不确定性,并能适用于不同高度圆轨道和椭圆轨道上的V-bar和R-bar自主交会任务。     

基于改进伪谱反馈控制的远程变轨闭环制导

利用最优反馈控制和轨迹快速重构技术,设计一种有限推力空间远程变轨自适应闭环制导方法。首先给出了最优反馈控制的求解原理和必要条件。将空间变轨动力学模型特点和伪谱法相结合,设计基于状态量缩减的计算效率改进策略以提高轨迹优化的实时性。基于改进伪谱法进行逐次轨迹快速重构,利用开环最优解形成闭环反馈,从而保证制导指令的实时更新,并通过引入控制逻辑改进制导算法。远程交会仿真表明,该闭环制导方法在保证任务指标具有一定最优性的同时,可以有效抑制多种参数不确定性和外界干扰的影响,具有较高的制导精度、自适应性和鲁棒性。     

考虑状态约束的二体旋转库仑卫星系统重构控制

研究考虑控制输入饱和与状态约束的深空旋转二体库仑卫星构型控制问题,只采用卫星之间的库仑力作为控制力,提出一种基于反步法的非线性控制方法。首先推导了二体库仑卫星在地-月系平动点附近的相对运动方程,利用旋转二体库仑卫星的特性,对方程进行了简化。为了完成禁止相对运动区域的回避,设计了新的状态限制辅助函数,结合抗饱和方法与反步法得到了二体库仑卫星的构型控制器。接着证明了由于状态限制辅助函数的加入,所设计的控制器可以保证卫星相对运动不超出限制范围。进一步应用Lyapunov稳定性定理证明了其闭环系统的一致最终有界性。最后在Matlab/Simulink平台上进行了仿真校验,结果表明了方法的有效性。     

再入轨迹多约束模型预测静态凸规划方法

针对大升阻比可重复使用飞行器再入滑翔轨迹规划问题,提出了一种基于自适应分段Chebychev伪谱离散的多约束模型预测静态凸规划算法(P-CMPCP),实现了全量终端状态约束及多过程约束作用下再入轨迹的高精度迭代解算。考虑倾侧角翻转导致控制量不连续,传统规划方法难以同时严格满足终端位置、角度约束,且过程约束易超限,采用自适应分段伪谱离散策略,构建全程飞行状态及过程性能指标约束对各配点处控制调整量的敏感度关系,从而将非线性最优控制问题转化为静态凸规划问题,并利用内点法对各分段控制量进行了协调优化。本文所提方法无需对动力学模型进行简化或近似处理,即能以少量积分运算使轨迹满足再入全量模型约束,且控制量平滑,数值精度优于传统规划方法。     

解析求解非线性相对运动的最优重构问题

椭圆轨道相对运动模型的线性化导致其在大尺度相对运动应用中精度不能满足需求。针对任意椭圆轨道上的大尺度航天器编队最优重构问题,提出一种基于椭圆轨道非线性相对运动模型的近似解析求解方法。首先通过变分法建立了非线性最优重构问题的数学模型;然后采用摄动法,以偏近点角为积分变量求得了不含特殊积分的解析开环最优控制,有效地避免了真近点角域下最优控制解所含有的特殊积分。仿真验证了所求最优控制的有效性和优越性,结果表明在相对运动尺度较大时,相比基于椭圆轨道线性化模型的最优控制,在燃耗保持相近的情况下,所求非线性控制有效地降低了重构误差。     

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。     

多约束条件下高超声速滑翔飞行器轨迹优化

研究了考虑航路点、禁飞区、热流、动压、过载、控制量以及终端状态等多种约束条件下高超声速滑翔飞行器轨迹优化设计问题。分析了采用一般Gauss伪谱方法进行高超声速滑翔飞行器轨迹优化设计存在的主要问题,为此,提出了轨迹分段优化策略,将轨迹优化的一般最优控制问题转换为多段最优控制问题,进而将各段轨迹按Gauss伪谱方法进行离散化,将连续多段最优控制问题转换为非线性规划问题进行求解。以多约束条件下最大射程轨迹优化为例进行仿真分析,结果表明分段优化方法能够较快地设计出满足各种约束条件的优化轨迹。     

深空环境下卫星编队飞行队形重构实时重规划

针对深空环境中卫星编队自主队形重构的机动问题,设计了队形重构过程中的实时重规划方案。在每次重规划过程中首先用Legendre伪谱法将当前时刻到终端时刻的重构问题离散化为非线性规划问题;其次,根据卫星编队飞行队形重构的特点,使用协同进化粒子群(CPSO)方法对每次重规划进行求解,该方法既避免了传统优化方法对复杂问题梯度的求解,又能在整个优化过程中保证约束条件的满足,并且能够事先为粒子群的进化提供大致方向,极大地提高了每次重规划的计算速度;最后,提出了重构过程中具体的重规划策略,以保证队形重构的顺利进行。仿真结果表明,与传统的控制方法相比,在重构过程中,该方法能够在初始给定轨迹的基础上进一步优化,可以有效降低重构过程的能量消耗,并能够避免重构过程中碰撞的发生。     

含间隙铰链的非线性动力学建模及数值分析

针对空间可展开机构中的含间隙铰链,建立非线性动力学模型,研究其非线性动力学特性。将含间隙铰链实体等效为"T"字型梁模型,针对两侧端部的径向碰撞和侧向碰撞,首次提出了碰撞点的检测算法。针对不同的碰撞类型,建立相应的非线性接触力和摩擦力分析模型,将碰撞点处的作用力等效施加到"T"字型梁模型上。进行"T"字型梁模型在轴向冲击载荷下的动力学特性分析,并与ANSYS软件的分析结果进行比较,验证了含间隙铰链非线性动力学模型的有效性。分析了有多个含间隙铰链的可展开桁架动力学响应特性,研究含间隙铰链对桁架响应的影响机理。结果表明:采用含间隙铰链的动力学模型,可以更加精确地分析可展开桁架结构的非线性动力学响应,为可展开桁架结构的动力学设计提供支撑。     

星载控制软件在轨动态重构技术研究

为使星载控制软件可在轨动态重构，提出一种基于量子编程框架、无须操作系统支持、可实现多版本切换的星载控制软件在轨动态重构方法。在分析影响在轨动态重构关键技术基础上，从量子框架的面向对象运行机制出发来寻求软件框架对动态重构的支持；通过划分函数边界，将函数归类为内部函数和公共函数，避免了模块间的循环依赖；给出了函数向量表维护策略，并以版本号为导向实现了向量表切换。该方法在BM3803星载处理器平台进行了充分测试，结果表明：所提出的在轨重构方法系统无须停机、版本可回退且更新过程可靠。本方法占用内存小、平台依赖性弱、代码可复用性强，可推广应用至硬件资源有限的星载控制器终端。