电动力绳系周期解求解及稳定性控制

电动力绳系姿态摆动动力学方程具有非线性特点,且姿态摆动状态直接影响着空间任务能否正常进行。首先,基于哑铃模型及偶极子地磁场模型假设,推导了在倾斜圆轨道上运行的电动力绳系姿态动力学方程。其次,给出了利用摄动法和不动点迭代法相互配合的数值方法求解该非线性方程周期解的过程及解的稳定性判断准则,并针对不稳定周期解提出了相应的稳定性控制策略。最后,通过数值仿真分析,得到了姿态摆动运动的周期解图像,验证了周期解求解算法的有效性,并对不稳定周期解实现了稳定性控制。     

Feedback linearization and solar pressure satellite attitudecontrol

The question of large angle pitch attitude maneuver of satellites using solar radiation pressure is considered. For pitch axis maneuver, two highly reflective control surfaces are used to generate radiation moment. Based on dynamic feedback linearization, a nonlinear control law is derived for large pitch attitude control. In the closed-loop system, the response characteristics of the pitch angle are governed by a fourth-order linear differential equation. Robustness of control system is obtained by the integral error feedback. Simulation results are presented to show that in the closed-loop system, attitude control of the satellite is accomplished in spite of the parameter uncertainty in the system     

共位衍射电磁航天器成像过程中的小推力控制 (新型推进系统控制专栏)

为了满足衍射成像系统在解决低轨遥感航天器覆盖范围小、目标重访周期长等问题的同时,而引入的航天器相对位置、姿态控制需求。针对共位衍射航天器相对位置、姿态控制过程中传统推力器带来的羽流污染问题,本文采用电磁推力器和飞轮作为执行器,设计一种基于快速非奇异滑模的轨道控制器和基于PID的姿态控制器。所设计的快速非奇异滑模轨道控制器为共位衍射航天器频繁位置调整提供控制保障,基于PID的姿态控制器能够消除由电磁力耦合产生的电磁干扰力矩。研究结果表明：基于相对轨道动力学方程设计的快速非奇异滑模控制律鲁棒性好、收敛速度快,能够达到两颗共位衍射电磁航天器沿z轴保持在10m相对距离的控制效果。在轨道调整过程中,其姿态能够通过PID算法稳定控制到期望姿态,使衍射成像结构一直保持不变,从而有效完成衍射成像任务。     

三轴稳定卫星的星敏感器对地定姿精度分析

给出利用星敏感器进行惯性姿态和对地姿态确定的流程,重点分析了惯性姿态向对地姿态转换过程中的误差传播关系,给出了相应的误差传播矩阵和误差传播影响因子。仿真表明,由于坐标转换时引入轨道参数误差,误差传播影响因子一般在1~2之间,因而使得对地定姿精度较惯性定姿精度稍低。     

Asymptotic Reproducibility in Nonlinear Systems and Attitude Control of Gyrostat

A control law is presented for asymptotic function reproducibility in a class of nonlinear-systems such that the output of the system asympotically tends to a given function. The controller consists of a prefilter and a servocompensator. Based on this result, a nonlinear feedback control law for the attitude control of a satellite containing symmetric rotors, in a circular orbit, is derived. In the closed-loop system, given trajectories of pitch, yaw, and roll angles are asymptotically followed, and set point control of attitude is accomplished. Digital simulation results are presented to show the capability of the nonlinear controller.     

利用变速控制力矩陀螺的航天器集成能量与姿态控制

 利用变速控制力矩陀螺(VSCMG)的航天器姿态与能量一体化控制问题。针对以VSCMG为姿态控制执行机构的刚体航天器设计了全局渐近稳定的姿态跟踪控制律。将VSCMG的框架角速度和转子角加速度作为控制输入向量设计操纵律。利用加权的最小范数解得到VSCMG的姿态控制输入向量，并用与之正交的控制输入向量来以给定的功率存储/释放能量。提出了同时表征力矩陀螺模式构型奇异和转子轮速平衡的混合指标函数。对控制自由度有冗余的系统，在混合指标函数的基础上利用梯度法构建了VSCMG的空转运动，以回避力矩陀螺模式的构型奇异，并同时减小转子转速差过大引起的转速饱和以及VSCMG零奇异的可能性。利用反馈转子动能的方法规划日照期间的储能功率，以维持系统长时间工作的能量平衡。基于某太阳同步轨道卫星的数值仿真结果验证了系统的有效性。     

混合小推力航天器轨道保持高性能滑模控制

针对采用太阳帆、太阳电混合小推力推进的航天器，研究了其在日心悬浮轨道的保持控制问题。为解决已有控制方法中未综合考虑内部未建模动态和外部未知扰动的问题，以及进一步提高系统控制性能，设计了一种高性能滑模控制策略。首先，考虑模型不确定性，建立了混合小推力航天器在日心悬浮轨道柱面坐标系的动力学方程；其次，基于改进型条件积分滑模面和径向基（RBF）神经网络设计了控制律，结合自适应方法在线估计不确定参数；接着，将求取的虚拟控制量在推进剂最优条件下转换成实际控制量，即太阳帆姿态角和太阳电推进力；最后，数值仿真验证了上述设计方法提高了系统鲁棒性，减小了轨道位置超调，并且混合推进相比于单一太阳帆推进，在更短收敛时间内控制精度提高了4个数量级，相比于单一太阳电推进，一年可以节省约89.6%的推进剂。     

基于对偶四元数的航天器相对位置和姿态耦合控制

针对交会对接、在轨服务等航天任务中存在的轨道和姿态动力学耦合问题,突破传统的轨道姿态分而治之模式,利用对偶四元数建立了相对位置和姿态的一体化耦合动力学模型,并分析了模型中存在的轨道和姿态耦合影响.针对此强耦合、非线性系统,基于对偶四元数的李群结构设计了误差PD（Proportional Derivative,比例微分）控制律,采用Lyapunov（李雅普诺夫）方法分析了控制系统的稳定性,并指出其相比传统的轨道和姿态分别控制方法更有优势.仿真结果表明,该控制方法能够一体化控制航天器的相对位置和姿态,相对位置控制精度在0.01m以内,相对姿态控制精度在0.05°以内,这表明所设计的控制器有效可行.     

基于动量轮转速标定的轨道控制方法研究

某地球同步三轴卫星因故障导致推力器工作效率不稳定,使得采用原有方案进行向西轨道控制时姿态变化大,控制准确度降低.针对上述问题,通过分析卫星用于姿态控制的偏置动量轮的控制规律,利用星体角动量守恒条件,建立了偏置动量轮转速变化与轨道半长轴变化之间的相关性数学模型,提出了一种改进的基于偏置动量轮转速标定的轨道控制方法,同时结合姿态的稳定变化制定了轨道控制实施方案,并将其应用于实际卫星轨道控制中,取得了良好的控制效果.改进的控制方法提高了轨道控制的准确率,使得半长轴误差幅度由最大60％提高到0.2％左右,增加了姿态的稳定性,使得俯仰姿态变化幅度由最大0.7°减小到0.2°左右,降低了控制风险,减轻了地面控制人员的负担.     

空空导弹大角度姿态反作用喷气控制

为研究具有大离轴角及越肩发射能力的先进空空导弹初始段敏捷转弯方法,研究了装有反作用喷气控制系统的空空导弹的大角度姿态过失速机动控制律。反作用喷气控制系统用来提供大角度敏捷转弯时大攻角飞行的控制力矩。利用时间尺度分离的方法将导弹的姿态动力学和运动学系统分别看作快子系统和慢子系统。用李亚普诺夫方法设计了慢子系统控制律,利用滑动模态方法设计了快子系统控制律,在该控制律作用下,导弹闭环系统不仅是稳定的而且其动态品质也可以得到保证。分析了控制系统的鲁棒性,结果表明所提控制方法能够有效消除空空导弹大角度姿态机动时转动惯量变化以及各种力矩干扰的影响。最后给出了一个实例来说明姿态控制在空空导弹敏捷转弯中的应用。     

Elliptical formation control based on relative orbit elements

A new set of relative orbit elements（ROEs）is used to derive a new elliptical formation flying model.In-plane and out-of-plane motions can be completely decoupled,which benefts elliptical formation design.The inverse transformation of the state transition matrix is derived to study the relative orbit control strategy.Impulsive feedback control laws are developed for both in-plane and out-of-plane relative motions.Control of in-plane and out-of-plane relative motions can be completely decoupled using the ROE-based feedback control law.A tangential impulsive control method is proposed to study the relationship of fuel consumption and maneuvering positions.An optimal analytical along-track impulsive control strategy is then derived.Different typical orbit maneuvers,including formation establishment,reconfguration,long-distance maneuvers,and formation keeping,are taken as examples to demonstrate the performance of the proposed control laws.The effects of relative measurement errors are also considered to validate the high accuracy of the proposed control method.     

A composite control scheme for attitude maneuvering and elastic mode stabilization of flexible spacecraft with measurable output feedback

This paper treats the question of attitude maneuver control and elastic mode stabilization of a flexible spacecraft based on adaptive sliding mode theory and active vibration control technique using piezoelectric materials. More precisely, a modified positive position feedback (PPF) scheme is developed to design the PPF compensator gains in a more systematical way to stabilize the vibration modes in the inner loop, in which a cost function is introduced to be minimized by the feedback gains subject to the stability criterion at the same time. Based on adaptive sliding mode control theory, a discontinuous attitude control law is derived to achieve the desired position of the spacecraft, taking explicitly into account the mismatched perturbation and actuator constraints. In the attitude control law, an adaptive mechanism is also embedded such that the unknown upper bound of perturbation is automatically adapted. Once the controlled attitude control system reaches the switching hyperplane, the state variables can be driven into a small bounded region. An additional attractive feature of the attitude control method is that the structure of the controller is independent of the elastic mode dynamics of the spacecraft, since in practice the measurement of flexible modes is not easy or feasible. The proposed control strategy has been implemented on a flexible spacecraft. Both analytical and numerical results are presented to show the theoretical and practical merit of this approach.     

采用变速控制力矩陀螺的航天器自适应姿态跟踪和稳定控制研究

研究以变速控制力矩陀螺群(VSCMGs)为主执行机构的卫星功率/姿态一体化控制(IPACS)问题。针对卫星的三轴稳定控制和相对惯性系的姿态跟踪问题分别设计了两类自适应控制器,二者都考虑了执行机构的动力学特性,并进行了稳定性的证明。其中前者采用相对姿态描述,可以避免三轴稳定飞行中因惯性姿态旋转方向的选择而引起的控制力矩突变;后者采用改进的罗得里格斯参数(MRPs)描述姿态,简化了控制器设计过程并避免了运动学奇异。对姿态误差的描述,前者采用小姿态角假设下的偏差形式,后者采用现时姿态与期望姿态之间的方向余弦矩阵,更具有合理性。设计了能够逃离奇异、并具有轮速平衡功能的VSCMGs的操纵律,并应用磁力矩器为VSCMGs进行动量卸载。最后,通过两个算例进行了仿真,验证了所设计系统的可行性和有效性。     

中继卫星星间天线指向误差传播率研究

基于中继卫星星间天线对用户航天器的跟踪规律,建立了准确的误差传递模型,并对分析结果进行了仿真验证。文中首先定义了误差传递模型所需的各类坐标系;然后使用微分方法分别建立了中继卫星轨道误差传递模型、中继卫星姿态误差传递模型,分析了滚动角、俯仰角和偏航角与指向精度之间的关系,以及位置保持控制对指向精度的影响;最后借助于STK软件的轨道计算功能,使用蒙特卡罗方法进行数学仿真,仿真结果验证了误差传递模型的准确性。     

空间多刚体系统编队及姿态的协同综合控制

针对由多个非线性系统组成的多子系统的协同控制问题,给出了一种基于输出反馈的协同控制律的设计方法,并将其应用于空间多个刚体的编队控制和姿态的协同控制系统中,给出了空间多刚体系统编队控制及姿态协同控制问题有解的充分条件,设计了多刚体编队及姿态稳定的协同综合控制律。仿真结果表明,这种控制方法是有效的、可行的,所设计的控制器能够使整个刚体系统在空间运行过程中保持一定的队形,并且同时稳定控制描述各个刚体系统姿态的四元数。     

滚转舰炮制导炮弹的空间多约束导引与控制一体化设计

在大口径舰炮制导炮弹打击近岸机动目标的末段,考虑攻击角、控制受限、视线（LOS）角速率测量受限等约束,提出了一种基于块动态面与扩张状态观测器（BDSESO）的多约束空间导引与控制一体化设计（IGC）方法。构建了滚转制导炮弹的空间导引与控制一体化的严块反馈串级模型,运用扩张状态观测器估计视线角速率和目标机动、建模误差、风等系统内外不确定干扰。为了在有限时间内零化视线角跟踪误差与视线角速率,采用自适应指数趋近律设计非奇异终端滑模,通过自适应动态面控制有效镇定串级系统并避免微分膨胀,引入自适应Nussbaum增益函数补偿控制受限的饱和非线性。通过Lyapunov理论证明了视线角跟踪误差、视线角速率的有限时间收敛性与全系统状态的一致最终有界性。半实物仿真实验表明：该方法使制导炮弹在打击具有不同机动形式的目标时,均具备较好的末制导性能。     

利用飞轮的航天器姿态跟踪与能量存储

研究航天器集成能量与姿态控制系统中飞轮的控制律。系统中飞轮是姿态控制的执行机构,同时也是储能装置。首先利用Lyapunov方法设计了航天器姿态跟踪的反馈控制律,然后研究一种力矩形式的飞轮控制律。利用奇异值分解方法把飞轮组的控制力矩向量分解为3部分相互正交的力矩向量,一部分用来提供姿态控制力矩,一部分用来以给定的功率储能,另一部分完成轮速平衡以避免由于各飞轮轮速差异过大引起的飞轮饱和。提出了一种基于动能反馈的储能功率规划方案来保证系统的能量平衡,可以避免由于过剩能量引起的飞轮饱和。数值仿真结果验证了控制方案的有效性。     

非线性变结构解耦控制及对再入飞行器的应用

讨论了一类非线性系统的变结构解耦控制在再入飞行器的应用,变结构解耦控制号输入输出线性比相结合得到的控制规律,可对象模型的不确定有鲁棒性,对于再入飞行器再入段存在的多变量非线性和参数不确定,应用了相应的变结构解耦控制的方法,讨论了其滑模面的构造方法和解耦控制条件,在姿态控制中保证了姿态跟踪期望值,在轨迹跟踪中,设计了内外回路在控制律,内回路运用变结构解耦控制保持姿态稳定,外回路通过设计比例微分控制保     

基于自适应方法的多无人机编队队形控制

针对"长机-僚机"近距编队队形因风场扰动而不能保持期望队形的问题,首先,提出了一种自适应队形保持控制的方法,该方法可用于抵消因风场不确定性对无人机的横侧向和前行方向所产生的距离误差,同时能够保持无人机编队稳定飞行。其次,由于风场的不确定性会引起"长机-僚机"之间的动力学发生变化,因此设计了一种基于"长机-僚机"相对运动模型的自适应控制律用以估计风场在3个方向的大小,进而控制无人机之间的相对运动以消除风场不确定性所产生的距离误差并保持速度的一致性,最终实现保持期望的队形。再次,通过构建合理的李雅普诺夫函数,证明无人机编队在风场干扰下能够保持编队稳定飞行,同时"长机-僚机"之间相对横向、横侧向以及纵向的距离误差均接近零。最后,通过仿真验证：所提出的自适应控制方法具有良好的鲁棒性,这为工程实践提供理论依据。     

用于被动寻的导弹的带末端落角约束的变结构导引律

使被动寻的导弹在较低的平飞弹道情况下，以较小的俯冲过载和最佳攻击姿态精确命中目标；采用带落角约束的变结构导引律，对弹目距离及距离变化率进行估计，克服被动寻的导弹不能测距的约束，同时使切换开关增益随时间自适应变化以减小俯冲过载；利用某型在研被动寻的导弹的气动参数，对此变结构导引律进行了数学仿真，仿真结果表明，在较低的平飞弹道约束条件下及过载要求范围内，该导引律能以期望落角命中静止与机动的坦克目标，对弹目距离变化率及距离的较大估计误差具有较强的鲁棒性。