挠性充液航天器超近程逼近段动力学建模与控制

超近程逼近过程中,服务航天器为刚柔液耦合的复杂系统,单摆等液体晃动模型不再适用,对这种工况下的航天器进行了动力学建模与控制的研究。采用虚功率原理推导了一种新的适用于三轴推力作用下的液体晃动等效模型,通过引入相对位置导引矢量与相对位置误差矢量,建立了相对轨道误差动力学模型,结合相对姿态动力学模型,得到超近程逼近段的刚柔液耦合的相对轨道姿态动力学模型。针对模型存在的不确定性和未知干扰,设计了基于滑模估计器的相对姿轨耦合控制律。通过数学仿真验证了控制律的有效性,仿真中的晃动结果与Flow-3D结果能够吻合,验证了晃动模型的合理性。     

空间非合作目标的逼近控制仿真研究

近距离的相对运动逼近过程是空间在轨服务中非常重要的一个阶段.对该过程的动力学与控制过程开展研究,建立服务航天器向目标航天器逼近过程中的相对姿态运动模型和相对位置运动模型,在目标航天器本体坐标系下,采用直线逼近制导律,基于经典的比例-微分控制律对逼近过程中的相对运动状态进行跟踪控制.最后,建立Simulink动力学模型并开展仿真分析,仿真结果表明六维相对运动模型的可靠性以及控制方法的有效性.     

充液航天器目标跟踪自适应控制

对于在零重力环境下受到横向控制力和俯仰控制力矩作用的带球形贮液箱的航天器模型,研究了其在平面运动的动力学特性.将晃动液体等效为单摆模型,利用Lagrange方法建立了系统动力学方程并且将其转化为状态变量方程形式;应用微分几何原理,以单输入—单输出系统（SISO）为例,研究了系统的非线性动力学特性,并进一步针对目标跟踪问题设计了SISO系统基于线性化模型的控制策略.研究结果表明：对于液体晃动-航天器姿态耦合动力学系统采用极点配置间接自校正控制策略能够实现姿态角的镇定及跟踪.     

可实现定点停泊与轨迹逼近的航天器交会控制

许多空间任务均需进行轨道交会,据任务的不同,对轨道交会的要求也不同,某些情况下需要跟踪星在交会的过程中暂时停泊于某一点,某些情况下对交会过程的视线角与轨迹提出一定的要求.针对这种需求,设计了一种闭环反馈控制方法,可以使跟踪星在设定的某点进行停泊及停泊保持,也可以沿设定的某条轨迹逼近目标,以满足不同任务对交会过程的不同要求.经仿真表明,此方法能够很好的满足任务要求,并具有精度高、能耗低、跟踪速度快的特点.     

航天器交会最终逼近段相对姿态估计与控制

对航天器交会对接最终逼近段,给出姿态运动学方程统一形式以及相对姿态动力学方程;除了应用交会航天器的绝对姿态运动方程进行相对姿态估计(间接法)外,还直接应用相对姿态运动方程进行相对姿态估计(直接法);阐述相对姿态控制的相平面法与四元数反馈法的设计方法.相平面控制法应用常值推力,针对小姿态角机动的特点,将相对姿态通道解耦为3个独立的二阶子系统,设计相平面推力方向切换函数;四元数反馈法应用简化的基于本征轴旋转的线性二阶系统,选择相对四元数与角速率反馈增益系数,确定控制力矩.此外,对相对姿态估计与控制方法进行模拟计算与比较.理论分析与模拟计算结果表明:应用扩展Kalman滤波的相对姿态间接估计法与直接估计法是有效的,后者有可能简化估计算法;相平面控制法与四元数反馈法均可有效实现相对姿态控制,前者应用常值推力(推力方向与姿态反馈有关),较易实现,但动力消耗较大,后者按控制力矩随姿态反馈量而变,动力消耗较小.      

航天器相对导航与控制技术的典型任务

在空间交会对接、在轨服务、近距离目标监视以及航天器编队飞行任务中,通常需要通过相对导航与控制技术对相互邻近的航天器进行控制.回顾了该领域典型的空间任务,特别关注任务、相对导航与控制方法、相对测量设备、推进系统等主要特征,并总结了该项技术的发展趋势.     

航天器控制的现状与未来

航天器控制技术是决定航天器发展水平的关键技术之一.针对不同航天活动对航天器控制的特殊要求,分析了高性能卫星、载人航天器、月球探测器和深空探测器等航天器控制的现状.杨嘉墀院士指出航天器控制必将走向智能自主控制之路.进一步提出,航天器智能自主控制应秉承"理论方法、系统结构、器部件要同步研究"的思想和方法.从目前应用情况看,北京控制工程研究所提出的基于特征模型的智能自适应控制方法是大有前途的方法.     

面向复杂航天器控制应用的模糊动态特征建模与控制

复杂航天器控制方法的研究是目前航天领域内的一个重要问题,为实现此类对象的高效控制,必须建立面向控制应用的系统模型．当前的系统建模方法在描述系统复杂特性方面,仍有一些不足．在综合比较面向复杂航天器的3类典型建模方法的基础上,通过将其中两类典型方法有机结合,设计和提出了一类新颖的描述复杂非线性系统的建模方法．     

航天器智能自主控制研究的回顾与展望

航天器智能自主控制是一项极其庞大复杂的工程,本文首先回顾国内外航天器智能自主控制的研究现状和北京控制工程研究所近30年来在此领域所取得的成就.接着重点阐述航天器智能自主控制进一步研究的具体内容：航天器自主导航;航天器智能自适应控制的理论和方法;故障自主诊断和重构;信息智能自主管理等.最后论述航天器智能自主控制的发展目标和总体规划.     

椭圆轨道非合作目标交会接近策略与控制

文章研究了追踪航天器与失控旋转非合作目标航天器在椭圆轨道中的交会接近策略与控制。在接近策略方面,首先,根据目标航天器大致结构设定一个安全的停泊点,使追踪航天器交会至停泊点;其次,通过在停泊点对旋转目标航天器姿态的观测,分析和预测其运动并确定合适的抓捕点位置,设计安全的接近轨迹,使追踪航天器沿着该轨迹接近至理想的抓捕实施点位置。在控制方面,考虑实际系统中的不确定性,只利用两航天器之间相对位置的测量信息,设计基于特征模型的自适应控制方法实现交会接近。最后通过数学仿真模拟整个交会接近过程,验证了文中所提出的接近策略和控制方法。     

自由漂浮机械臂抓取翻滚目标的自适应控制策略

提出了一种自由漂浮机械臂抓取翻滚目标的自适应控制策略.抓取翻滚目标要求自由漂浮机械臂具有很强的轨迹跟踪能力,但是自由漂浮机械臂本身以及目标所存在的运动学和动力学参数不确定性使基于模型的控制器性能急剧下降,甚至变得不稳定.通过对参数的自适应逐步改善基于模型的控制器的性能,并且提出了一种新的自由漂浮机械臂关节空间自适应控制器.最后通过数值仿真对所提出的自适应控制策略进行了验证.     

Motion-planning and pose-tracking based rendezvous and docking with a tumbling target

Rendezvous and docking (RVD) with a tumbling target is challenging. In this paper, a novel control scheme based on motion planning and pose (position and attitude) tracking is proposed to solve the pose control of a chaser docking with a tumbling target in the phase of close range rendezvous. Firstly, the current desired motion of the chaser is planned according to the motion of the target. In planning the desired motion, the “approach path constraint” is considered to avoid collisions between the chaser and the target, and the “field-of-view constraint” is considered to make sure the vision sensors on the chaser to obtain tight relative pose knowledge of the target with respect to the chaser. Then, the difference between the chaser’s motion and the desired motion is gradually reduced by a pose tracking controller. This controller is based on the non-singular terminal sliding mode (NTSM) method to make the tracking error converge to zero in finite time. Since the chaser nearly moves along the desired motion and the motion is reasonable, (1) it could safely arrive at the docking port of the target with a suitable relative attitude, (2) it will be always suitably oriented to observe the target well, and (3) the magnitude of the needed control inputs are less than that in existing literatures. The numerical results demonstrate the above three advantages of the proposed method.     

三维充液航天器的位置和姿态联合控制

考虑充液月球着陆器悬停避障阶段的控制问题,采用三维球摆作为液体晃动部分的等效模型.针对球摆与刚体耦合的三维动力学模型,给出动力学模型的矢量方程及各矢量在本体系的投影坐标,设计位置和姿态联合控制器.所设计的控制器可以稳定航天器刚体的位置和姿态,且只依赖刚体的位置和姿态,不依赖晃动角或者动力学方程,利于工程应用.利用LaSalle不变原理分析闭环系统的稳定性,给出期望姿态为竖直时系统渐近稳定的控制器参数选择依据.最后数值仿真验证控制方法的有效性.     

旋转非合作目标终端逼近的姿轨控制研究

针对旋转非合作目标的终端逼近过程进行研究, 建立了适用于任意偏心率的精 确航天器相对运动和姿态动力学模型, 并对传统的直线型同步自旋逼近策略进行 改进, 设计了用于保障终端逼近安全性的指数衰减型参考轨迹; 推导了基于比例 微分加解耦控制方法的相对轨道和姿态控制律, 通过数值仿真验证了控制器的有效性.     

一种翻滚非合作航天器抵近绕飞避障轨迹规划和跟踪控制方法

针对空间无人在轨服务任务中翻滚非合作航天器抵近、绕飞和避障问题,在目标特征部位本体坐标系,建立了轨道和姿态相对运动模型.设计了抵近和绕飞策略,以抵近轨迹的燃料和时间最优为目标函数,考虑规避障碍物情况,结合动力学和路径等约束条件进行轨迹规划,最后采用高斯伪谱法对连续最优控制问题进行离散转化,对转化后的非线性规划问题进行求...     

Tube-based robust output feedback model predictive control for autonomous rendezvous and docking with a tumbling target

In this paper, a tube-based robust output feedback model predictive control method (TRMPC) is proposed for controlling chaser spacecraft docking with a tumbling target in near-circular orbit. The controller contains a simple, stable, Luenberger state estimator and a tube-based robust model predictive controller. Several practical challenges are also considered under dock-enabling conditions, such as the control saturation, velocity constraint, approach corridor constraint, and collision avoidance constraint. Meanwhile, uncertainties are carefully analyzed when designing the controller, including dynamics uncertainty, measurement error, and control deviation. The TRMPC ensures that all possible state trajectories with uncertainties lie in the minimum robust positively invariant set (mRPI, i.e., the so-called tube in this paper). The tube center is the solution of a nominal (without uncertainties) system. Another important contribution of this paper is to propose a technique where it is unnecessary to calculate the mRPI explicitly. Thereby, the ‘curse of dimensionality’ can be avoided for a six-dimensional system. To verify the feasibility of the proposed TRMPC strategy in the presence of uncertainties, two scenarios of autonomous rendezvous and docking (AR&D) are simulated. The simulation results show that the TRMPC method is more efficient in minimizing the uncertainties, fuel consumption, and computational cost, compared to the classic model predictive control (MPC) method.     

面向在轨服务遥操作技术的研究与展望

回顾了面向在轨服务遥操作技术的发展现状。针对现代航天器对在轨服务的技术需求,分别从系统结构与体系结构、控制模式、控制技术等方面论述了面向在轨服务遥操作技术需要研究的主要关键技术问题。最后,对遥操作技术的未来发展进行了展望。     

UML在航天器姿态与轨道控制应用软件需求建模中的应用

简要介绍了UML语言及其建模技术,描述了航天器姿态与轨道控制系统应用软件的组件构成与接口,并分析了组件间的依赖关系;针对航天器姿态与轨道控制应用软件的需求,对其功能需求和非功能需求进行分析研究;建立的软件需求模型实例体现了UML建模技术的特点和优势。     

Optimal guidance and collision avoidance for docking with the rotating target spacecraft

The guidance and control strategy for spacecraft rendezvous and docking are of vital importance, especially for a chaser spacecraft docking with a rotating target spacecraft. Approach guidance for docking maneuver in planar is studied in this paper. Approach maneuver includes two processes: optimal energy approach and the following flying-around approach. Flying-around approach method is presented to maintain a fixed relative distance and attitude for chaser spacecraft docking with target spacecraft. Due to the disadvantage of energy consumption and initial velocity condition, optimal energy guidance is presented and can be used for providing an initial state of flying-around approach process. The analytical expression of optimal energy guidance is obtained based on the Pontryagin minimum principle which can be used in real time. A couple of solar panels on the target spacecraft are considered as obstacles during proximity maneuvers, so secure docking region is discussed. A two-phase optimal guidance method is adopted for collision avoidance with solar panels. Simulation demonstrates that the closed-loop optimal energy guidance satisfies the ending docking constraints, avoids collision with time-varying rotating target, and provides the initial velocity conditions of flying-around approach maneuver. Flying-around approach maneuver can maintain fixed relative position and attitude for docking.