基于无监督聚类与LSTM网络的航天器健康状态预测方法

健康状态预测是从系统层面保证航天器在轨安全稳定运行的关键技术.针对机电类关键部件存在性能退化过程的特点,提出一种基于无监督聚类与长短时记忆(LSTM)网络的航天器健康状态预测方法.该方法首先提取航天器单部件多维参数的高维时域特征,通过PCA方法将高维特征融合为反映部件运行状态的健康因子,再结合无监督聚类算法识别出故障的不同演化阶段,最后采用LSTM网络分别对各退化阶段构建其健康状态演化预测模型,实现对航天器部件健康状态预测.本文以控制系统关键部件控制力矩陀螺(CMG)为例对上述算法进行试验验证,验证了方法的有效性.     

集群航天器球形边界控制

集群航天器由于其独特的优势,在未来航天任务中将举足轻重,其边界控制也随即成为研究热点.针对近距离伴飞的圆轨道集群航天器,以集群航天器蜂拥控制模型为基础,通过集群航天器球形边界的定义,运用粒子群优化算法,实现了稳定状态下集群航天器的边界参数寻优.采用球形空腔势函数的控制方法,结合集群航天器边界参数反馈信息,实现了对集群航天器球形边界控制,并仿真验证了算法的可行性.     

航天器测试需求描述及其自动生成

航天器作为一个典型的安全苛刻系统,其可信性研究需求迫切,支持可信性评估的数据来自于航天器测试用例的执行,而航天器测试需求是测试用例生成的重要依据.在实际应用中,对航天器这类复杂系统,面临测试需求庞杂、测试需求编制周期长、人工经验编制方式难以保证测试需求的充分性、完备性及可复用性等问题.针对这些问题,通过分析航天器组织结构特点,建立航天器形式化模型,基于航天器测试任务流程,给出了航天器静态测试需求和动态测试需求形式化描述规范,并给出航天器测试需求自动生成方法,保证了测试需求的充分性和完备性,提高了测试需求复用性,与人工编制方式相比,缩短了测试需求编制周期.最后设计并实现航天器测试需求生成应用系统,验证所提出方法的有效性.      

航天器动力学特性参数在轨辨识技术

从结构模态参数的可识别性出发,结合结构自由响应识别技术和数字处理技术,开发出大型航天器动力学特征参数在轨辨识系统,包括硬件系统和软件系统,其中软件系统由C+ +和汇编语言组合编写,系统各部分均模块化,可适用于较复杂的工程任务.在此基础上设计了模拟在轨航天器的试验验证系统,检验辨识算法和设计软件的可靠性以及航天器在轨辨识的实时性.该试验系统包括一个对称的双梁结构,利用对称结构的弱耦合可得到多个密集模态,该结构可模拟大型航天器在太空失重条件下所特有的动力学特征.试验表明系统辨识算法可靠,精度达到设计要求.     

航天器轨道机动过程中的自主导航方法

典型的航天器自主天文导航方法利用地球敏感器和星敏感器的观测信息,根据轨道动力学模型和测量信息,采用扩展卡尔曼滤波算法（EKF）估计航天器位置矢量。为了在航天器轨道机动过程中减小滤波器的估计误差,设计了用于航天器自主导航的自适应鲁棒扩展卡尔曼滤波（AREKF）算法。仿真结果表明,采用AREKF算法能够有效地减小推力不确定性的不利影响,在不增加导航敏感器的前提下改善系统的导航性能,取得优于传统EKF算法和自适应扩展卡尔曼滤波（AEKF）的估计精度。     

航天器相对姿态跟踪的非线性前馈控制

针对航天器相对姿态跟踪过程中严重的非线性及控制器设计的复杂性,建立了基于修正罗德里格斯参数的航天器相对姿态运动学和动力学方程并根据Lyapunov直接法设计了非线性前馈控制律.设计的控制律不仅保证闭环系统稳定,还使得航天器相对姿态跟踪误差快速收敛到零点邻域内.通过在Matlab/Simulink环境下对航天器相对姿态跟踪进行数值仿真,验证了建立模型和设计控制律的有效性.     

基于事件触发的航天器姿态自适应容错控制

针对航天器通信和计算资源约束以及执行器故障场景下的姿态控制问题,提出了一种基于事件触发的航天器姿态自适应容错控制策略。首先,采用自适应方法估计故障信息、外界扰动等系统中未知参数,并引入事件触发机制,在执行器故障下实现容错控制的同时,节约星载计算机的计算资源。然后,基于李雅普诺夫方法证明了所提出的控制策略保证了闭环系统状态全局一致且最终有界稳定,并能有效避免Zeno现象,保证了执行器故障场景下对姿态的精确控制。最后,应用于航天器的姿态稳定试验,仿真结果验证了该方法的有效性。     

充液航天器大角度机动自适应无源控制

研究了基于自适应无源控制的三轴稳定充液航天器大角度姿态机动问题.将液体晃动等效为黏性球摆模型，利用动量矩守恒定理推导出充液航天器耦合动力学方程.针对陀螺故障及无陀螺配置导致航天器姿态无角速度测量的情况，同时考虑存在外部未知干扰、转动惯量不确定性以及液体晃动位移不可测量的特性，设计自适应输出反馈无源控制，其中自适应更新律用于补偿外部未知干扰和估计液体晃动的位移变量.利用Lyapunov方法和LaSalle不变引理，证明该控制律不但可以保证闭环系统渐进稳定，而且可以保证二个期望平衡位置均达到稳定.仿真结果验证了本文控制方法的有效性.      

基于粒子群算法的航天器姿态机动路径规划

研究航天器在星载设备受多种几何约束情况下,大角度姿态机动时的姿态路径规划问题.采用罗德里格斯参数描述姿态,将姿态机动路径规划问题转化为点机器人的三维路径规划问题.基于粒子群优化技术设计了航天器复杂约束下大角度姿态机动的路径规划算法.数值仿真结果表明,该方法对于复杂约束下航天器姿态机动的运动规划是有效的.     

深空探测航天器巡航段自主导航方法研究

对深空探测航天器自主导航方法进行了研究。为了应对深空探测中航天器轨道动力学模型的误差，在分光计测量航天器相对于太阳径向速度基础上，引入了小行星的视线矢量测量。通过最小二乘法计算出由小行星视线矢量所得到的位置信息，采用改进的信息融合方法修正扩展卡尔曼滤波中不精确的动力学模型造成的状态估计误差。同时计算了模型的能观度，对模型的可观性进行了分析。最后对算法进行了仿真分析，仿真结果表明，该算法对动力学模型的依赖性明显低于其他算法，在相同模型精度下，可获得更好的滤波精度。     

基于普吕克直线的交会对接相对位姿确定算法

为了描述航天器交会对接中的相对位置和姿态测量信息,提出了结合特征线的双目视觉测量以及普吕克直线方程来进行航天器交会对接的相对位姿测量算法。传统算法中航天器的相对位姿是分开测量和计算的,普吕克直线方程则统一描述了两个航天器的相对位姿信息。首先采用双目视觉算法计算得到目标航天器中两条非共面直线在追踪航天器下的坐标值,然后根据普吕克直线方程得到这两条直线在两个坐标系下的相对位姿关系,最后通过采用奇异值分解的方法解算出两个航天器间的相对位姿信息。仿真结果表明该算法不仅实现了位置和姿态的统一测量,而且能够满足航天器交会对接相对位姿的测量要求,验证了该算法的科学合理性与解算快捷性。     

载人航天器系统防操作失误设计分析

载人航天中任何人为操作错误都会对载人航天器系统和航天员的安全构成威胁。文章对载人航天器系统中人的操作特点进行了论述,并对保证载人航天器安全而进行的防操作失误设计问题进行了探讨。在此基础上,提出了进行载人航天器系统防操作失误设计的方法以及提高航天员操作可靠性的措施。     

基于递阶联合滤波器的故障检测与重构方法

随着现代航天器等高精度飞行系统的日益复杂，飞行控制系统的安全运行问题愈来愈突出地表现出来。故障检测、隔离和重构（FDIR）技术是航天器可靠性的重要保证。文章在卡尔曼滤波估计算法的基础上，提出 了基于递阶联合滤波器族的故障检测、隔离和重构方法。该方法根据备份滤波器的概念，构造了一种融合滤波器的树状递阶联合结构，在此基础上，可以设计并实现多级故障检测和隔离措施，进而有效地完成系统的重构功能。通过一个INS／GPS／Doppler组合导航系统的仿真实例， 说明了该方法的可行性和有效性。基于递阶联合滤波器结构的多传感器信息处理技术克服了集中卡尔曼滤波器和普通联合滤波器的缺陷，对提高多传感器系统的容错性能具有重要意义。     

基于航天器解体事件的空间碎片寿命算法

研究了针对航天器解体事件所生成的空间碎片的寿命计算方法.给出了基于NASA标准航天器解体模型的航天器解体算法.该算法生成的一系列碎片参数,将作为寿命计算的初始条件.总结了现有求解碎片寿命的算法,并提出了一种半分析算法.该算法运用平均根数法的思路,计算了在J2摄动项的影响下,碎片的半长轴和偏心率的变化率;并采用微分积分法预报半长轴和偏心率随时间的变化.为了适应时变大气模型,该算法限制了计算步长.通过与数值法的比较分析了算法的计算速度和精度.选用了3种大气模型:SA76、GOST和MSIS-00,分析了不同大气模型在计算碎片寿命之间的差异.通过与P-78卫星解体事件的实测数据对比验证了整个算法的正确性.      

基于SSUKF的航天器自主导航算法

针对航天器自主导航系统对稳定性、精确性和实时性的要求,将超球面分布采 样点变换SSUT(Spherical Simplex Unscented Transformation)和Unscented卡尔曼滤波(UK F)相结合,研究了基于SSUT的UKF(SSUKF)导航滤波算法.由于SSUT减少了采样点个 数,在保证滤波精度和标准UKF相当的条件下减轻了计算负担.根据UKF和扩展卡尔曼滤波(E KF)计算过程相似的特点,设计了SSUKF和EKF相结合的混合卡尔曼滤波算法.算法通过能够 度量估计误差的模式切换函数,可以自适应地在SSUKF和EKF之间切换,避免了UKF计算效率低 以及EKF对滤波参数敏感、容易发散的缺点.数值仿真结果表明,混合卡尔曼滤波器提高了 计算效率,保证了估计精度,具有良好的鲁棒性,适合于航天器自主导航系统.      

基于三目视觉的航天器交会对接位姿测量方法研究

随着载人航天和宇宙空间站的不断发展, 航天器自主对接技术显得日趋重要. 在航天器对接的最后逼近阶段, 实时精确测量两航天器间的相对位置姿态参数是对接成功的关键. 针对航天器交会对接中位置姿态参数的测量问题, 研究了三目视觉的非线性测量方法, 阐述三目视觉的测量原理并建立数学模型, 将相对位姿参数求解问题转化为非线性优化问题, 进而利用Levenberg-Marquardt算法求解. 仿真研究表明, 与双目视觉线性方法和三目视觉线性方法相比, 该方法能降低图像匹配误差的影响, 提高特征点的定位精度, 增加测量系统的可靠性.      

挠性航天器智能模糊控制算法

针对挠性航天器滑模变结构姿态控制器控制力矩的高频抖振问题,提出一种挠性航天器智能模糊控制算法。该算法使用模糊控制算法对航天器控制参数进行模糊化智能处理,能够有效改善控制器控制力矩的高频抖振问题。首先将模糊控制算法与滑模控制算法结合,根据切换面趋近律系数模糊化处理;然后应用连续饱和函数代替符号函数设计姿态控制器;最后通过算法到达滑模面的程度调整边界层厚度,在保证控制力矩不发生抖振情况的同时有效控制滑模面边界层的厚度。仿真结果证明,提出的智能模糊控制算法能够有效改善挠性航天器控制力矩的高频抖振问题,同时可以加快挠性航天器低阶模态振动曲线的收敛速度。     

基于知识推理的航天器自主故障诊断方法

面向深空探测这类型号任务,提出一种基于知识推理的航天器自主故障诊断的智能方法,采取直接线性存储的知识库结构、主动监测事实更新并触发推理以及基于散列算法的事实管理三项关键技术,适用于航天器硬件处理能力和存储容量受限的应用环境.采用C语言在基于TSC695处理器的嵌入式系统上实现了该故障诊断方法,实验的结果表明该方法有效.     

航天器分布式有限时间编队方法

以二阶积分环节作为单体航天器动力学模型,在固定通信拓扑的基础上,假设每个航天器仅获取相邻航天器的速度位置信息,设计了分布式有限时间跟踪控制算法,并证明了算法的有效性。在该算法的基础上,采用了虚拟结构和阶级控制方法,使第一阶级航天器接受虚拟领队形成的虚拟结构信息,次级航天器接受上一级航天器信息,给出了有限时间编队方法,并通过数值仿真验证了该编队算法。     

挠性航天器多目标鲁棒姿态控制的DPSO算法实现

复杂航天器高性能姿态控制是完成现代新型空间任务的基础,需兼顾鲁棒性、快速性、精度和控制能量等多目标要求,但目前大多数控制系统只针对某单一目标设计.针对大型挠性航天器多目标姿态控制问题,提出一种基于差分粒子群优化算法和输出反馈的鲁棒控制方法.首先,推导了含参数不确定性的系统动力学模型;然后,给出了差分粒子群优化算法的定义...