火星着陆器进入段轨迹优化与制导研究进展

根据火星着陆器在进入段的飞行状况,分析并总结可能遭遇的困难与挑战;在间接法和直接法两方面概述飞行器轨迹优化方法,阐述当前飞行器轨迹优化研究现状以及火星着陆器进入段轨迹优化的应用情况;以标称轨迹制导法和预测校正制导法两方面分析火星着陆器进入段制导研究现状,并比较两种制导方法的优缺点,最后对火星着陆器未来研究方向做了展望.     

固推约束下的火星表面起飞上升制导律设计

针对受固推约束的火星上升器(MAV)起飞上升问题,设计了上升段、无动力滑行段、入轨段三段式火星表面起飞上升全过程制导策略。首先,根据实际任务需求进行了上升器标称轨迹优化。其次,在上升段引入了阿波罗制导方法,通过类攻角和类侧滑角的控制实现对标称轨迹的跟踪。为减少上升段末端偏差对无动力滑行段与标称轨迹间误差的影响,提出了一种通过调整倾侧角改变上升器所受气动力进而控制飞行轨迹的技术路线,并设计了相应的滑模制导律。另外,兼顾固推发动机的能量管理需求,针对入轨段设计了Lambert制导策略,并参考标称控制量对其进行修正,使得上升器能够在控制能力有限的情况下完成较高精度的入轨。最后,通过典型场景火星表面起飞上升全过程数值仿真验证了所设计策略的有效性和鲁棒性。     

高超声速飞行器多约束再入轨迹快速优化

针对高超声速飞行器再入过程中面临测控区和绕飞区的再入轨迹设计问题,提出了一种基于Gauss伪谱法(GPM)的分段轨迹优化策略。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(NLP)进行求解。所得再入轨迹能够使得飞行器在满足各种约束条件的情况下成功进入测控区并且有效规避绕飞区,最终到达指定点。此外,本文综合考虑飞行器再入飞行的快速性和工程实用性,并提出了再入时间、弹道倾角以及航向角相关指标的加权性能指标,同时保证了轨迹规划快速、再入轨迹平滑以及控制量变化平缓等实际需求,提高了计算效率。仿真结果表明,本文所提出的分段优化方案能够快速规划出适应不同飞行任务的再入轨迹。     

火星探测器进入阶段稳定性分析

文章针对＂火星探路者＂,对火星探测器在进入火星大气减速过程中的运动稳定性问题进行了研究,分析了质心位置、进入条件、大气参数等因素对火星探测器运动稳定性的影响。分析结果表明,在马赫数大于1.2时,探测器处于一个比较稳定的状态。     

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。     

火星大气进入段轨迹优化与制导技术研究进展

首先根据国际上实施的火星探测任务及未来火星着陆探测的发展需求,阐述火星大气进入段轨迹优化与制导的重要性。结合火星着陆环境和探测器的气动特性等,归纳出火星大气进入段轨迹优化与制导面临的挑战。在此基础上,结合未来火星着陆任务的安全精确着陆目标,梳理火星大气进入段轨迹优化与制导所需解决的关键技术,分析目前火星进入段轨迹优化与制导技术研究进展及发展趋势。最后,对未来火星精确着陆所需的进入段轨迹优化与制导技术发展方向进行了展望。     

自由漂浮空间机器人末端轨迹优化跟踪控制

针对自由漂浮空间机器人(FFSR)末端轨迹跟踪优化控制中惯性参数不确定的问题,基于状态依赖Riccati方程（SDRE）,提出一种采用标称SDRE控制器与补偿SDRE控制器相结合的组合优化控制器,通过SDRE基本理论及李雅普诺夫方法证明了控制方法能够实现系统跟踪的能量优化和渐近稳定,实现了FFSR在广义雅克比矩阵非奇异条件下的末端轨迹优化跟踪控制。数值仿真表明,控制器能够实现对于期望末端轨迹的有效跟踪。     

大型挠性航天器的鲁棒模型预测姿态控制

针对大型挠性航天器的三轴姿态控制问题,考虑了控制输入约束,设计了鲁棒模型预测姿态控制器。首先,将模型预测控制应用到不考虑扰动的标称挠性航天器系统中,通过求解优化问题推导预测控制律,从而得到三轴姿态的标称轨迹。然后,为有效处理大型挠性附件振动对中心刚体姿态造成的扰动,针对带有扰动的挠性航天器实际姿态控制系统,设计由最优状态与实际系统状态的误差构成的辅助反馈控制器,使实际系统状态维持在以标称轨迹为中心的“管道”(Tube)不变集内,并驱使实际系统状态到达标称轨迹上,最终沿着标称轨迹到达平衡点。仿真结果表明,在鲁棒模型预测控制的作用下,实现了姿态角的快速精确跟踪,有效地处理了由大挠性附件振动对中心刚体姿态产生的扰动,增强了系统的鲁棒性。     

空间非合作目标近程自主跟踪的全局鲁棒最优滑模控制研究

对空间非合作目标的近程自主跟踪过程中目标可能会由于不确定原因出现轨道变动时的近程自主跟踪控制问题进行了研究,提出了一种全局鲁棒最优滑模控制器方法。针对空间非合作目标自主跟踪问题的标称系统,由基于无限时域的二次型性能指标的最优控制理论,获得最优调节器,再构造一个积分滑模面,使系统开始即在滑模面上,消除了传统滑动模态中的趋近模态,并使控制系统滑动模态与对应标称系统的最优动态有相同的形式,则滑动模态亦是渐近稳定的,且具有完全的鲁棒性;为保证滑动模态的存在,设计了滑模变结构控制器。该方法吸取了最优控制和滑模控制的优点,可在优化燃耗的同时满足全局鲁棒稳定性。仿真分析结果表明:用该法可实现对空间非合作目标轨道变动时的自主稳定跟踪,保证跟踪的精度。     

基于复合抗饱和策略的火星飞机自适应控制

目前,伴随着火星探测的兴起,火星飞机越来越受重视。目前对火星大气研究不充分,火星飞机飞行环境特殊,存在强烈的不确定性和干扰。同时稀薄的火星大气与受限的飞机尺寸限制了操纵的机构控制能力。为了解决这2个关键问题,提出了一种基于复合抗饱和策略的自适应控制器,将模型误差、不确定性和干扰视为系统的"总和扰动",利用扩张状态观测器观测并加以补偿。针对控制能力受限带来的控制饱和,提出伪控制限制与基于误差补偿的扩张状态观测器抗饱和方案相结合的复合抗饱和策略。仿真结果表明,该控制方法能较好地完成指令跟踪,并有效抵制不确定性和干扰影响,效果良好,有效改善了控制饱和带来的响应迟滞等现象,使系统具有较强的抗饱和特性。     

基于序列二次规划算法的再入轨迹优化研究

介绍了序列二次规划算法在飞行器再入轨迹优化问题中的应用.首先引入了能量替代变量对无量纲运动方程进行推导,使得运动方程和优化问题易于处理,考虑严格的过程约束和终端约束,以攻角和倾侧角为控制变量,总加热量最小为性能指标;然后通过直接配点法将最优控制问题转化为非线性规划问题,选取各节点的状态量和控制量作为优化参数;最后应用序列二次规划算法对非线性规划问题进行求解.针对多约束的再入飞行器的轨迹优化时对初值敏感的问题,提出一种参考轨迹快速规划算法,提高了优化速度.仿真结果表明提出的方法能够较快地搜索到最优轨迹,满足所有约束且落点精度高.     

一种基于任务分区的轨道转移飞行器轨迹重规划方法

针对轨道转移飞行器入轨任务中可能的异常状态,提出一种基于任务分区的在线轨迹重规划方法。将重规划问题描述为非线性系统最优控制问题,在地心惯性坐标系中建立飞行器的状态方程。考虑轨道倾角偏差与远地点高度偏差,设计任务分区并完成目标轨道决策。根据不同分区确定相应的性能指标与约束条件,以目标轨道为圆轨道的任务为例,构建凸优化问题并采用序列凸规划方法完成求解,使轨道转移飞行器出现飞行偏差时能够预测可达范围并重新规划任务飞行轨迹。仿真结果表明这种方法可以在飞行任务中快速实现不同条件的轨迹重规划设计,对异常状态实现一定程度的补救。     

小推力最优轨迹协态估计的高效机器学习方法

针对变比冲小推力轨迹间接优化中的协态变量初值猜测问题,提出了一种基于机器学习的协态变量初值高精度高效估计方法。首先,基于标称最优轨迹延拓,建立了状态量边值高扰动上限情形下的数据集生成方法,并分析了扰动上限对求解效率的影响。然后,构建了基于位置速度、轨道根数和改进春分点轨道根数多形式状态量组合输入的人工神经网络(ANN)映射关系,分析并优化了神经网络结构。将提出的方法应用于深空探测小推力转移场景,仿真结果表明该方法相对于标称轨迹直接扰动的数据集生成方法及单一形式状态量输入的人工神经网络映射方法,均有效地提升了求解收敛率,能够高效高精度地估计协态变量初值,实现轨迹快速优化。     

基于特征模型的力矩受限卫星姿态抗饱和设计

针对存在控制力矩饱和约束的卫星姿态跟踪控制问题,提出将黄金分割控制器和基于线性矩阵不等式(LMI)抗饱和设计相结合的控制方法。采用黄金分割控制器作为标称控制器,同时使用特征模型取代原被控对象求解抗饱和补偿器,给出求解抗饱和补偿器凸约束的LMI条件,解决了由于控制输入饱和引起的控制性能下降或系统不稳定问题。通过引入二阶差分方程形式的特征模型,常规基于线性LMI抗饱和设计方法可以扩展到解决一类非线性系统的饱和控制问题中。数值仿真验证了所提出方法对控制力矩受限卫星姿态跟踪控制的有效性和鲁棒性。     

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。     

全太阳系深空探测轨迹全局优化(英文)

针对太阳系中全部的248997颗行星的探测问题,给出了一种关于探测飞行器的深空探测全局四维轨迹(t,x,y,z)优化方案,即飞行器从地球发射进入太阳系并采用小推力控制,优化方案的性能指标为飞行器与太阳系中全部行星中相遇和交会的星的数量最多并且燃料消耗最少。本方案给出了四维飞行轨迹进行全局优化的一套算法,该算法由搜索算法和四维轨迹优化算法组成。此搜索算法从太阳系的248997颗行星中寻找获得尽可能多的经过近地球3维走廊内的行星;而四维轨迹优化算法由改进的动态规划算法、基于最优控制理论的共轭梯度算法和静态参数优化算法组成,其中静态参数优化算法用于搜索最优发射时间窗口。基于该组合算法,通过长时间的大规模的飞行数字仿真,最终计算出探测器的四维最优飞行轨迹,在一年内路过了太阳系中全部行星中的12颗行星。     

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。     

萤火一号火星探测器星星掩星接收机设计实现

对萤火一号(YH-1)火星探测器星星掩星接收机设计实现进行了研究.给出星星掩星探测原理和设计的掩星接收机.性能和地面仿真测试结果表明:掩星接收机各项性能指标优良,灵敏度高,满足中俄联合火星电离层无线电掩星观测试验高精度的探测需求.     

求解中途飞越燃料最优转移轨道的同伦方法

提出一种新的同伦方法,用于求解深空探测中对其他天体进行中途飞越的小推力燃料最优转移轨道,克服由于其存在内点约束及不连续Bang-Bang控制所导致的数值优化方法的求解困难。该同伦方法将同伦参数同时嵌入到性能指标和内点约束方程中,将容易求解的无内点约束且控制量连续变化的最优控制问题作为初始问题,求解一系列同伦参数递增所对应的同伦迭代子问题,直到得到原问题的解。该方法能够有效地解决中途飞越所导致的优化变量增加、求解难度增大等难题,能够快速、稳定地求解考虑中途飞越的小推力燃料最优转移轨道。最后,以地球到火星交会并中途飞越小行星和地球到木星交会并中途飞越火星两个任务为例进行数值仿真验证该同伦方法在求解中途飞越的燃料最优问题中的有效性和优越性。     

行星着陆大气进入段自适应滑模抗扰控制方法

针对行星探测器着陆过程可能存在的干扰影响着陆精度问题,提出了一种抗干扰控制方法。首先建立行星探测器着陆控制模型,利用非线性干扰观测器实现对系统外部干扰的估计;在此基础上提出一种自适应滑模控制律,使得系统状态快速收敛到平衡点附近。最后,将该方法应用于火星着陆场景进行仿真。结果表明,提出的自适应滑模控制方法能够在未知扰动存在的情况下,有效实现行星探测器安全着陆,提高着陆任务的成功率。