基于零J_2摄动条件的近圆轨道编队保持双脉冲最优控制方法研究

重点研究了考虑J2摄动作用的近圆轨道编队构形保持双脉冲最优控制策略.利用轨道要素法建立了考虑J2摄动作用影响的相对运动方程,推导了消除相对摄动影响长期项的零J2摄动条件,并利用该条件对C-W方程得到的编队初始条件进行了修正,得到了对J2摄动不太敏感的相对轨道.然后,基于C-W方程建立了编队保持双冲量最优控制模型,并利用非线性规划方法得到了编队保持所需的最优控制脉冲.仿真结果表明,J2项摄动对相对运动的破坏作用明显减小,提出的双脉冲最优控制方法能够有效实现编队保持的高精度控制.     

Effect of parametric and nonlinear perturbations on statistical dynamics of the Earth’s pole

We study the influence of additive and parametric slowly varying harmonic (at the Chandler frequency and doubled frequency) and stochastic Gaussian broadband perturbations on mathematical expectations, variances, and covariations of oscillations of the Earth’s pole. The influence of perturbations on both regular and irregular stochastic oscillations is considered in detail. Results of numerical experiments are presented. The developed models and software are included into information resources on the fundamental problem “Statistical dynamics of the Earth’s rotation” of Russian Academy of Sciences.     

灵敏度及鲁棒稳定性理论在导弹发射决策中的应用

本文运用系统敏灵度理论分析了多变量系统在参数摄动条件下的动态特性。为了提高系统鲁棒性,对影响系统动态性能的不同参数偏差间的相互补偿、最优搭配及对判定域的影响进行了研究。本文旨在给出一种简单、实用的方法,以便在某些参数超出允许限的条件下,为现场指挥决策提供系统有关的定量信息。     

Optimal control of reorientation of a spacecraft using free trajectory method

The problem of optimal control over spatial reorientation of a spacecraft is considered. The functional having a sense of propellant consumption is minimized. The analytical solution to the formulated problem is presented. It is shown that the optimal solution can be found in the class of two-impulse control at which the spacecraft’s turn is performed along a free motion trajectory. In order to improve the accuracy of spacecraft guidance into a specified angular position, methods of control are suggested that realize the method of free trajectories. The synthesized controls are invariant with respect to both external perturbations and parametric errors. The results of mathematical modeling are presented that demonstrate high efficiency of developed control algorithms. Propellant consumption for realizing a programmed turn is numerically estimated taking into account considerable gravitational and aerodynamic moments acting upon the spacecraft.     

State transition matrix approximation with geometry preservation for general perturbed orbits

This paper presents a method for approximating the state transition matrix for orbits around a primary body and subject to arbitrary perturbations. The primary objective of this method is to provide an accurate state transition matrix for orbits with realistic perturbations, which has a sufficiently simple form for implementation onboard spacecraft. The averaging method is employed to isolate the high and low frequency spectra of the perturbation terms, and construct a functional form of the approximate state transition matrix composed only of elementary analytic functions. In addition to the methodology of the approximation, it is shown that the symplectic property, which is a fundamental mathematical structure of Hamiltonian systems, can be incorporated into this method. This not only reduces the number of parameters required for approximations but also makes it possible to preserve the physically true structure of the state transition matrix. The resulting state transition matrix approximation is valid for tens of orbital revolutions without having to update the parameters. Numerical simulations show that this method is valid for arbitrary eccentricity orbits with semimajor axis ranging from LEO up to around 10 Earth radii when applied to Earth orbits.     

一种考虑摄动影响的星座构型稳定性设计方法

研究了星座构型稳定性设计方法,通过分析在长期摄动因素影响下星座各卫星轨迹偏移量,采用卫星初始参数偏置补偿原理,提出星座整体偏移思想。结合数据拟合方法,对多种摄动整体影响结果进行拟合调整,设计相应的调整方案,以消除卫星轨道在长期摄动因素下产生的偏差,保持了星座构型稳定性。在获得相应的参数调整量后,选取最为合理的设计方案,使卫星构型因摄动影响而调整所需要的能量尽可能小。     

共面快速受控绕飞轨迹设计与控制

绕飞运动在航天器在轨服务与在轨支援、辅助航天员舱外活动、航天器编队飞行、空间交会对接等空间活动中具有重要应用。分析了快速受控绕飞的可行性和主要过程，建立了适用于目标航天器运行在圆轨道上的共面快速绕飞和进入绕飞与退出绕飞的轨迹设计模型，采用多速度脉冲控制方法和等角度，等时间控制方式对绕飞轨迹进行控制。仿真计算结果表明所提出的快速受控绕飞轨迹设计模型和控制方法可以实现对圆轨道目标航天器的共面快速受控绕飞。     

空间拦截智能自适应变结构导引规律研究

结合空间拦截的精确末制导问题，本文介绍了一种对目标机动和参数摄动具有鲁棒性的自适应结构制导律（ＡＶＳＧ）。在此基础上，我们研究了一种智能自适应变结构制方法（ＩＡＶＳＧ）。此方法精略地估计出目标法向加速度的强度，并以此为依据自主地调整ＡＶＳＧ中变结构项的强度，这样，既可以消除视线角速度的抖动，又可以保证制导精度，仿真结果证明了ＩＡＶＳＧ的有效性。     

Modal control of the planar motion of a long flexible beam in orbit

Attitude control techniques for the pointing and stabilization of very large, inherently flexible spacecraft systems are investigated. The attitude dynamics and control of a long, homogeneous flexible beam whose center of mass is assumed to follow a circular orbit is analyzed. In this study, first order effects of gravity-gradient are included, whereas external perturbations and related orbital station keeping maneuvers are neglected. A mathematical model which describes the system deflections within the orbital plane has been developed by treating the beam as having a maximum of three discretized mass particles connected by massless, elastic structural elements. The uncontrolled dynamics of this system are simulated and, in addition, the effects of the control devices are considered. The concept of distributed modal control, which provides a means for controlling a system mode independently of all other modes, is examined. The effect of varying the number of modes in the model as well as the number and location of the control devices are also considered.     

飞行器气动参数智能在线辨识技术研究

气动参数辨识对于大气层内飞行器来说至关重要,通过在线气动参数辨识可规划更准确的飞行轨迹,并对控制参数进行自适应调整。传统辨识方法的模型较为复杂,运算量大,无法满足飞行器在线辨识的要求。而基于神经网络的智能参数辨识方法,不仅可以离线对网络模型进行训练,并利用历史飞行数据进行模型修正,也可在线时直接利用训练好的网络对参数进行快速调整,在保证参数估计精度的同时,保障参数估计的快速性。提出了一种基于支撑向量机(SVM)的样本扩充和神经网络参数在线快速修正方法。通过仿真和统计,证明了基于SVM的神经网络方法对飞行器气动参数进行在线快速智能辨识的可行性。     

大气层外质量矩控制自旋拦截器的姿态机动效果分析

针对大气层外质量矩控制自旋拦截器的特点,建立了具有一个可任意活动质量块的拦截器六自由度动力学数学模型;并基于带有一个沿径向运动质量块的姿态动力学模型,分析了姿态控制机理及结构参数对姿态控制效果的影响,通过仿真验证了分析的有效性,为拦截器姿态控制系统的设计奠定了基础。     

探空火箭动力系统优化设计

提出了探空火箭动力系统设计参数优化计算方法.综合考虑了动力系统与火箭外弹道之间的关系.在给定有效载荷、最高射高的条件下,选取动力系统的设计参数使火箭的起飞质量最小.选用了增广拉格朗日法约束优化技术和牛顿迭代法求解数学模型.计算结果表明,该计算方法是合理的.     

空间拦截器姿态控制系统变结构控制规律研究

结合空间拦截器的姿态控制问题,本文介绍了一种对系统参数摄动和外在不确定性干扰具有鲁棒性的变结构控制律。在此基础上,研究了当控制信号幅值受限的情况下,非线性系统的变结构控制律的设计问题。此方法考虑了空间拦截器姿控发动机推力幅值受限这一实际情况,提出了基于姿态角双包络线概念的实用姿控方法。因此,更符合系统实际的运行情况。仿真结果证明了此方法的有效性。     

Choice of high-apogee AES orbits on the basis of the qualitative methods of the theory of perturbations and situational analysis. Part I. Situational studies based on orbital tori

The paper discusses the problems of the choice of high-apogee orbits of artificial Earth satellites (AES), proceeding from the tasks of space experiments aimed at studying near-earth space and taking into account the features of the orbital evolution and ballistic lifetime. The suggested methods of the choice of orbits consist of two components. The first is based on the use of mathematical models of studied regions of near-earth space and various techniques of situation analysis, among which the annual and daily orbital tori developed by the author about 35 years ago are key. The second component is based on qualitative methods of the theory of perturbations of high-apogee AES orbits developed by M.L. Lidov more than 50 years ago.     

可重复使用飞行器归一化复合控制系统设计

以可重复使用飞行器（RLV）的姿态控制系统为研究对象,提出一种基于归一化方法的新型复合控制系统设计方法。对RLV三自由度姿态动力学模型中的气动控制量和反作用控制系统（RCS）控制量分别进行归一化处理,建立RLV复合控制的归一化模型。在此基础上,通过对归一化模型的输入矩阵中同种执行机构控制阈值的设计,获得两种异类执行机构复合控制的切换条件,并进一步修正了归一化复合控制模型。基于积分型终端滑模控制方法,设计了可重复使用飞行器的复合控制系统,并采用广义逆的方法,直接将控制分配融合到控制律的设计中来,实现控制律和控制分配的一体化设计,不需要优化算法,减少了控制系统的计算量。最后,对可重复使用飞行器姿态控制系统进行数学仿真,不仅校验了采用归一化方法设计的复合控制系统的有效性,而且与采用线性规划优化控制方法具有相同的姿态控制效果。     

基于三站一维距离像融合的弹道目标特征提取方法研究

一维距离像是超宽带雷达目标识别的重要特征之一,基于多站一维距离像的目标特征提取技术是近来的研究方向。依据弹道目标的微动特性,推导了微动弹道目标的时间-距离像模型,然后通过比较各散射点时间-距离像正弦曲线参数之间的关系,实现了多个雷达观测视角下弹头目标距离像的匹配,在此基础上,利用三站一维距离像重构了锥体弹头上各散射点的三维空间相对位置,最后对锥体弹头的各个参数进行了估计。仿真结果表明了本文方法的正确性和有效性。     

基于组合优化算法的临近空间飞行器轨迹优化

提出一种临近空间飞行器轨迹优化方法,利用基于支持向量机与遗传算法的组合优化算法,解决多约束条件下的高效轨迹优化问题。首先,建立临近空间飞行器轨迹优化数学模型。然后,通过参数化方法和惩罚函数法将轨迹优化问题转化为约束参数优化问题。在此基础上,提出一种求解无约束参数优化问题的组合优化算法,通过支持向量机对遗传过程中产生的种群进行分类,提高基本遗传算法的计算效率,结合轨迹优化数学模型,给出轨迹优化算法。最后,以临近空间飞行器航程最远轨迹优化问题为例,进行数学仿真分析。仿真结果表明,针对给定的算例,文中提出的方法与基于基本遗传算法的轨迹优化方法相比,计算效率显著提高。     

太阳电池阵的铰链副刚度参数识别

为正确识别太阳电池阵铰链副的刚度参数,用形状简单、建模相对容易的有机玻璃板列阵不同状态下模态试验结果估计待识别参数的初始值,通过线性化目标函数,将参数识别归为易求解的数学规划问题,最终直接用商用有限元分析程序和数学软件实现参数识别。识别结果表明,理论计算值与试验结果基本吻合。     

行扫描光学遥感器扫描参数对遥感图像定位结果影响模型

定量分析了定位模型中输入参数误差与定位误差关系,提出了一种结果的校正方法。根据图像定位结果实际的偏离规律选择定位模型中能校正该偏离的参数,修改该参数达到校正定位结果以实现精准定位。建立了极轨气象卫星行扫描光学遥感仪器的像元定位数学模型,分析了遥感器扫描参数偏差对定位结果的影响,给出了定量的定位偏差计算公式,为遥感器定位结果的校正提供了理论模型,可为遥感器设计的误差控制提供参考。     

卫星编队飞行相对轨道的摄动研究综述

卫星在编队飞行过程中总受到各种摄动力的作用，由于轨道摄动直接影响卫星的寿命，研究卫星编队飞行相对轨道的摄动问题具有重要的意义。本文综述了国内外有关编队飞行卫星相对轨道摄动问题的研究方法以及进展，最后针对目前相对轨道摄动的研究现状，指出了进一步的研究方向。