失效航天器姿态接管的SDRE微分博弈控制

针对燃料耗尽的失效航天器姿态接管控制问题,提出多颗微卫星协同实现姿态稳定的状态相关黎卡提方程(SDRE)微分博弈控制方法。首先,将姿态接管问题转化为多颗微卫星的微分博弈问题,基于组合航天器的姿态模型和微卫星的性能指标函数建立多颗微卫星的非线性微分博弈模型,微卫星通过独立优化各自的性能指标函数得到控制策略。其次,引入状态相关系数矩阵,将非线性博弈转化为状态相关线性二次型博弈,采用SDRE方法更方便地逼近微卫星的博弈均衡策略。最终通过李雅普诺夫迭代法求解耦合状态相关黎卡提方程组得到微卫星的状态反馈控制器,实现微卫星的自主决策。数值仿真验证了多颗微卫星采用微分博弈控制方法实现姿态接管的有效性和容错性。     

基于多智能体强化学习的轨道追逃博弈方法

针对空间轨道博弈过程中的集群卫星和非合作目标追逃博弈情形下的动力学模型复杂、非合作目标机动信息未知,以及卫星间难以有效协调等问题,提出一种基于多智能体深度强化学习算法的集群卫星空间轨道追逃博弈方法.首先通过对博弈场景进行建模,在考虑最短时间、最优燃料以及碰撞规避的情形下进行奖励函数的塑造和改进,利用深度强化学习方法中的...     

接近和跟踪非合作机动目标的非线性最优控制

航天器在实施对空间非合作目标的近程操作任务中,需要接近目标并保持在目标附近的特定方位,对目标指定部位随动跟踪和观测。针对非合作机动目标的接近和视线跟踪的六自由度控制问题,根据视线坐标系下的相对轨道方程和体坐标系下的相对误差四元数姿态方程,建立了航天器间近距离相对运动的轨道和姿态联合控制模型。考虑模型的非线性、时变性和计算的快速性,采用θ-D控制方法进行接近和视线跟踪的轨道和姿态联合控制。为了减小跟踪同时存在轨道和姿态机动的非合作目标的控制误差,应用Lyapunov最小-最大定理设计了θ-D修正控制器,改善非合作目标同时进行姿态和轨道机动时的控制性能。仿真验证了模型的正确性和控制器良好的跟踪性能。     

基于深度神经网络的无限时域型航天器追逃策略求解

航天器追逃博弈是当前航天领域的一个研究热点,传统上多采用微分对策来获取追逃双方的最优控制策略,但是方法求解复杂、计算量大,难以满足复杂任务和对抗类任务的实时性要求。随着机器学习技术的发展,利用深度神经网络结构实现全部或部分的在线决策成为可能,因此研究了基于深度神经网络生成无限时域型追逃博弈最优控制策略问题。首先基于CW方程建立追逃博弈相对运动模型,采用微分对策理论得到追逃最优控制策略,得到训练数据集和测试数据集;基于TensorFlow环境搭建了4层神经网络,采用Adam优化算法对网络进行训练。仿真结果表明,经过训练的深度神经网络生成的控制策略与传统方法的策略基本一致,虽然长时间追逃的控制差异逐渐增大,但变化趋势相同,说明利用深度神经网络生成航天器追逃博弈的机动策略是有效的。     

半直接配点法在航天器追逃问题求解中的应用

采用半直接配点法求解时间固定两航天器追逃问题,提出一种新的数值求解追逃双方最优控制策略的方式,避免了求解非线性两点边值问题。在两航天器均为连续小推力假设条件下,以终端距离为支付函数,给出了半直接配点法求解此追逃问题的过程。在此数值方法中,根据半直接转换将微分对策问题转化为一个最优控制问题,由Gauss-Lobbato配点法最终将此最优问题转化为非线性规划问题,继而通过序列二次规划方法求解。这种半直接配点法避免微分对策问题最优策略的必要条件(两点边值问题)求解,并且数值稳定性好。数值仿真给出了追逃双发的最优控制策略和相应的追逃轨迹。     

方块脉冲函数用于延时LQP最优控制的综合与分析

本文用方块脉冲函数把求解延时LQP(线性二次型问题)最优控制转化为求解多元函数最优化问题,避开了Riccati方程的求解,导出了状态反馈形式的分段综合控制表示式,以及最优状态轨线与最优控制的分段恒定解答和目标泛函的最优值。     

不完全信息Epsilon纳什均衡的航天器末端追逃博弈策略

针对不完全信息下的航天器末端追逃问题,提出了一种满足Epsilon纳什均衡的微分博弈控制策略。首先,建立了完全信息下的有限时间追逃纳什均衡策略对,并将其作为目标航天器实际采取的控制策略,使目标航天器掌握博弈进程的完全信息,进而获得更好的逃逸性能。在此基础上,考虑拦截航天器不能获取目标控制矩阵信息的态势,设计了基于广义卡尔曼滤波的行为学习信息估计算法,使拦截器能够对目标的不完全信息进行估计,并提出了不完全信息下的末端追逃博弈控制策略。经过理论分析,证明了所设计的不完全信息下微分博弈策略对满足Epsilon纳什均衡。最后,仿真结果表明该算法可以有效估计目标的不完全信息,确保拦截器能够在有限时间内快速拦截目标。     

基于计算博弈的脉冲作用下航天器追逃策略

本文研究了地球高阶引力模型中,基于脉冲作用的航天器轨道追逃问题。针对该问题,将航天器轨道追逃问题定义为两选手计算博弈,其中以博弈双方的距离和燃料消耗设计了性能指标函数,并以速度增量大小和方向构建容许控制集。此外,为了保证纳什均衡解的求解效率,引入了快速搜索(ARS)算法,并设计了一种数据剪枝方法用于优化搜索空间,最终实现了基于计算博弈的控制策略的快速求解。仿真结果表明:该方法能够有效解决脉冲作用下航天器的追逃难题,与传统方法相比,该方法能同时满足脱靶量精度和燃料消耗要求,具有一定的可行性和有效性。     

一种基于线性近似的非线性系统模型预测控制方法

针对一类系统模型的输入输出函数不满足连续可导条件的非线性系统,设计了一种基于线性近似的模型预测控制方案。运用Stirling插值公式对非线性函数进行线性近似处理,并将模型预测控制性能指标重构为一个二次型最优化问题,通过对二次型最优化问题的求解得到了模型预测控制的最优控制序列。为了减少计算量,忽略了线性近似过程中产生的非线性高阶项。仿真结果表明,该模型预测控制方案控制效果满意,且具有降低控制能量消耗和缩短控制时间的优点。     

基于Hopfield神经网络的最优滑模制导律研究

本文的研究目的在于使制导律既保留最优制导动态性能好、节省能量的优点,同时又对有界机动目标具有良好的鲁棒性。首先,在导弹-目标追逃问题的相对运动学关系的基础上,我们根据制导动态性能好、节省制导能量要求,构造了线性二次型性能指标,利用Hopfield神经网络在线实时求解该最优制导问题,克服了实际中的最优制导难于求解的问题;同时为了在拦截有界机动目标时,保证视线角速率趋于零,又将滑模控制理论引入到制导律的设计中,并利用Lyapunov稳定性理论对该新型导引律的稳定性进行了证明。仿真结果表明该导引律能够对有界机动目标具有较强的鲁棒性,保证了导弹在追逃过程中使视线角速率趋于零,导弹的指令加速度较小。
     

面对接近式威胁的在轨飞行器安全性分析方法

提出了一种针对非合作接近威胁飞行器的安全性分析方法,具备对多脉冲接近的威胁飞行器进行安全性分析的能力,所得结果可对自主规避决策提供支撑。文中给出了安全性分析流程,从能量约束等角度出发,选取脉冲冲量、交会时间以及最小相对距离三种参数作为安全性分析指标;随后对指标标准化,建立了多指标加权综合评价与决策模型。仿真结果表明,在本文模型下,非合作主动接近飞行器施加多脉冲机动变轨对目标器进行接近,其每次脉冲均会在安全性评价值中得到体现,算法可对脉冲真实意图进行准确判断。本文提出的安全性分析方法可推动空间复杂环境下卫星面对各种主动威胁时的安全性分析研究,对未来卫星防护体系及相关技术的研究具有一定参考意义。     

速度信息缺失的平动点轨道交会预设性能控制

以平动点轨道的交会对接为研究背景,基于高阶积分链微分器和预设性能控制理论提出了一种仅需相对位置信息的平动点轨道近程交会控制律。首先利用高阶积分链微分器估计两航天器的相对速度状态,并设计预设性能控制器使得两航天器的相对运动状态在预设的边界内渐近收敛到期望状态。然后利用李雅普诺夫函数证明相对运动状态存在扰动时控制器的稳定性。该方法为闭环控制,且与模型无关,容易在线操作。仿真结果表明,在平动点轨道航天器存在未知扰动以及导航制导等不确定的情况下,利用所提交会控制律能够实现追踪航天器与目标航天器交会任务的高精度实时控制,具有较强鲁棒性。     

GEO非合作目标超近距相对位姿视觉测量

提出一种基于几何特征综合匹配的双目超近距相对位姿视觉测量方法。首先,将失效卫星的矩形太阳帆板作为几何特征,采用综合匹配方法实现了双目图像的高精度匹配,随后基于几何特征指标参数判别和ROI检测方法,实现了卫星太阳帆板特征点组的识别与提取,在此基础上,进一步建立了目标坐标系,通过三维重建完成了超近距阶段失效卫星的相对位姿高精度解算。最后建立了高精度双目视觉超近距相对测量实验系统,结合所提出的综合匹配算法和相对位姿解算方法,完成了动态非合作目标的相对位姿测量实验,实验结果说明所提出的方法具有较好的实时性和较高的精度。     

机动目标的空间交会微分对策制导方法

针对目标机动情况,利用定量微分对策方法分析连续推力作用下的空间交会追逃微分对问题,提出用非线性规划求解该微分对策问题的方法,建立空间交会追逃微分对策的非线性规划模型,有效解决了机动目标空间交会微分对策模型高度非线性且难于利用经典最优控制理论进行求解的问题,实现了最优控制与对策论的结合,并通过数值仿真校验了该方法的有效性。     

一种用于非合作目标惯性指向轴位置捕获的绕飞方法

本文提出一种用于非合作目标惯性指向轴位置捕获的绕飞方法。该方法依据实时相对位置和目标位置确定绕飞坐标系;在绕飞坐标系中,分别采用扇形轨迹和直线轨迹设计了两类接近轨迹规划策略,利用相对位置和目标位置间的夹角进行规划策略选择,以规划得到过渡目标位置,并采用CW制导进行过渡目标位置的接近控制;为保证绕飞过程中相对测量敏感器始终有效测量,还设计了姿态指向控制律使追踪航天器x轴指向目标航天器。数学仿真校验了所设计方法的有效性。     

一种非合作目标相对位置和姿态确定方法

针对非合作目标中的从星若无法获得主星的动态信息时,就无法自主进行相对位置和姿态确定的问题,提出了一种采用陀螺、立体视觉系统和加速度计的相对状态确定方法。首先分别建立相对姿态方程、主星动力学方程和相对位置方程等系统的数学模型。然后根据这些方程组成的状态方程和立体视觉系统的测量模型设计了卡尔曼滤波器。该滤波器使得从星根据加速度计、陀螺和立体视觉系统的输出,在仅获得主星的外观特征和一些静态参数的情况下,能够自主进行相对位置和姿态的确定。最后,数值仿真结果表明,在相同仿真条件下,与使用主星陀螺信息的相对状态确定算法相比,该算法能够自主进行相对状态的确定,且位置和姿态稳态误差分别为0.05m和2°。     

航天器非合作目标相对导航的联邦滤波算法研究

提出了一种适用于空间机器人在轨对非合作目标进行测量的“激光测距仪+可见光 测角相机”组合的联邦卡尔曼滤波相对导航算法。分析了激光测距仪和可见光相机进行非合 作目标测量时存在的问题,为此设计了一套包括分别基于测角信息和测距信息的子滤波器, 以及进行子滤波器数据融合的主滤波器在内的联邦卡尔曼滤波器,并提出了具体的判据来对 子滤波器进行“条件重置”。仿真实验数据表明该联邦卡尔曼滤波器能够在部分目标测量设 备的输出出现暂时故障情况下输出较为平稳的相对导航数据,并且滤波算法具有较好的容错 性。
     

访问多个特定相对位置的航天器轨道设计

在航天器轨道设计问题中,将惯性空间中经典的吉布斯三矢量定轨方法拓展到相对运动空间中,给出了一种相对运动条件下的三矢量定轨方法。针对已知轨道的目标航天器,以及二个或三个给定的空间相对位置,基于相对运动方程,提出了设计跟随航天器飞行轨道的数值方法。以轨道面共面或异面,以及目标航天器轨道形状为椭圆或圆,将问题分为四种情况进行约束条件和自由变量个数的分析讨论。对于自由变量个数多于约束方程的情况,额外给定周期重访约束,将各种情况下的特定相对位置访问问题转化为一至二维的非线性方程(组)求解问题。对一维方程求解采用分段黄金分割+割线法进行快速求解;对二维方程组通过网格法搜索迭代初值并通过牛顿迭代快速求解。进一步基于线性模型的解,采用微分修正方法求解了各情况下J2摄动模型下的结果。数值算例验证了提出方法的正确性及有效性。