非合作慢旋目标即时状态位姿确定

对失效卫星等非合作慢旋目标进行在轨服务，需要精确测量追踪航天器与目标之间的姿态信息。因此，如何在复杂的光照条件下快速、准确地对非合作慢旋目标进行即时状态位姿确定具有一定的挑战性。应用ORB-SLAM技术，首先定位关键帧，并估计姿态。然后用当前帧的特征点与地图点对应的特征点进行匹配。最后，将完成匹配的特征点通过重投影确定其在地图中的位置，如果出现跟踪丢失，则根据已有的地图点估计姿态。实验结果表明：在复杂的光照条件下，分别对以10(°)/s角速度运动和以3(°)/s角速度运动的非合作目标进行测量，当测量稳定后，平均角速度误差约为0.1(°)/s和0.02(°)/s，可以满足工程上空间非合作目标相对姿态测量的精度要求。     

天基近地轨道空间监视雷达卫星重访效能分析

空间目标监视系统是空间态势感知的重要支撑,为克服地基观测系统时空监视能力的限制,基于天基平台的空间目标监视技术是空间目标监视领域技术发展的必然趋势。天基监视雷达是天基监视技术的重要组成部分,着眼于未来空间监视的需要,必须开展天基雷达相关技术的研究。本文分析了近地轨道空间卫星间相对距离变化的周期性,以此为基础给出了天基雷达对观测目标的重访特性,为天基空间监视雷达卫星星座系统的设计提供了理论基础。     

基于目标纹理的机器视觉转角检测方法

目标姿态角度检测系统是确保智能制造设备自动化、智能化的核心部件之一,在智能制造设备中得到了广泛的应用。提出了一种基于目标纹理的机器视觉转角检测算法,该算法通过椭圆聚类提取图像中的感兴趣区域,采用Hough梯度变换寻找感兴趣区域中包含特定纹理特征的区域,结合先验信息对特征区域进行标记、匹配,进而计算出待测物体的滚转角度,算法的运行耗时小于0.5s。采用该算法实现了浮子组件在浮液中的径向滚转角检测,并模拟实际检测环境测试了该算法的精度。测试结果表明,绝对精度小于0.3°,重复性精度小于0.08°,满足实际生产现场对检测精度的要求,解决了人工检测精度低、耗费人力的问题,提升了浮子转角检测的精度和智能程度。     

基于立体观测的空间目标天基光学监视定位

利用天基观测平台实现对空间目标的有效监视是空间监视的发展方向和必然趋势。本文提出充分利用天基光学观测灵活性,采用基于双／多星立体观测定位的方法,提高空间目标监视定位效能,并就系统观测条件进行分析。     

天基空间监视雷达系统相关技术探讨

空间态势感知能力是确保国家安全和经济利益的核心能力,而空间目标监视系统是其重要的支撑。由于地基监视系统受布站条件的限制和自然环境的影响,其观测能力和精度都受到很大的限制。本文介绍了天基空间监视雷达系统的概念和当前发展状况,并进行了框架意义上的天基空间监视雷达系统设计。     

航天器空间对接位置视觉测量方法

针对航天器空间对接过程中对接环位置的实时测量问题,提出了一种基于单目视觉的对接环识别定位新方法.通过将采集到的目标图像序列RGB信息转换到HSV色彩空间,以图像色调值为判据,实现了航天器空间对接环目标特征的有效提取.结合最小二乘椭圆拟合算法和小孔成像理论,建立了单目视觉的对接环识别定位模型,以完成航天器空间位置的精确计算.仿真结果表明,航天器近距定位可达到小于2 cm的精度,完全能够满足对接的精度要求.     

在轨服务的相对运动耦合动力学建模与分析

研究在轨服务航天器逼近与捕获目标航天器的相对轨道姿态耦合动力学建模问题。考虑航天器姿态与对接位置的运动耦合,建立目标运行在任意轨道下的相对轨道姿态耦合动力学模型,并对模型中的运动耦合进行深入分析。设计一种非线性的输出反馈姿态控制律,将建立耦合动力学模型与CW方程进行仿真比较,验证轨道与姿态的运动耦合对两航天器对接点之间相对位置的运动影响。     

基于连续同伦算法的天基仅测角初定轨方法

要进一步提高天基短弧初定轨的精度,在观测资料精度较高的情况下,仅考虑二体问题是不够的,还应考虑轨道摄动的影响。因此,基于无摄初轨的单位矢量法原理和矢量斜分解方法,给出了考虑摄动的天基仅测角初定轨单位矢量法。针对天基仅测角观测条件方程组求解过程中易出现迭代不收敛或收敛到平凡解的问题,引入连续同伦算法求解观测条件方程组,提出了单星观测方式下的空间目标天基仅测角初定轨方法,并通过数值仿真算例验证了该算法在较大范围的收敛性和数值稳定性。     

空间失效慢旋卫星视觉特征跟踪与位姿测量

空间碎片或者失效卫星往往绕其惯性主轴做自旋运动,虽然处于一种稳定状态,但是对其运动状态测量的难度相比三轴稳定目标而言又增加了许多,主要体现在复杂光场环境下和目标观测面周期性进出视场引起的特征点丢失、尺度变化和旋转变化,以及长时间连续观测引起的累积误差增大、位姿解算不收敛等难题。通过构建优化目标特征数据库,将传统测量方式中前后帧的匹配转变为当前帧与特征数据库的匹配和特征点的优化,即使中间过程帧出现了偏差仍然可以较好地跟踪后续图像帧的正确位置。在李代数空间下建立位姿向量微分扰动方程,获得测量值与估计值的残差目标函数,基于贝叶斯法则最大后验概率和李群与李代数的对指变换法则,求取位姿向量最优解。解决了李群空间下由于位姿变换矩阵不可加性而无法优化的问题,提高了连续测量过程中系统的测量精度。实验结果表明,无优化测量方法无法保证整个旋转周期的有效测量;通过增加位姿优化过程,连续稳定测量时间明显延长,针对以12（°）/s自旋运动的目标,测量稳定段误差在2°以内,旋转角速度测量误差为0.12（°）/s。     

基于对偶数的航天器多特征融合相对导航算法

针对基于视觉的航天器相对导航问题,利用对偶数推导并给出了航天器相对耦合动力学方程,该方程一体化描述了追踪航天器相对于目标航天器的姿态运动和轨道运动,且考虑了由非质心点引起的相对姿态与相对轨道之间的耦合影响。在对偶代数的框架内,统一描述了目标航天器上的特征点和特征线,并基于特征点、线在像平面的投影建立了多特征融合的单目视觉测量模型。最后通过对系统状态方程以及测量方程的线性化,应用迭代扩展卡尔曼滤波(IEKF)算法对非质心点的相对运动状态进行了估计。仿真结果表明,本文的算法能够对航天器非质心点的相对运动状态进行较高精度的估计。     

精确轨道航天器的姿态机动策略选择

航天器姿态控制一直是地面飞控的核心,尤其对于有精确轨道控制要求的航天器,姿态控制的策略选择直接关系任务成败。探月三期月地高速再入返回任务对再入角有着严格要求,为了实现返回器高精度再入,在系统介绍服务舱的姿态控制模式、控制方法和控制流程的基础上,提出了利用修改相平面参数和轮控调姿,以建立轨控姿态,从而减少姿控喷气,并提高轨控精度的方法。飞行结果表明,中途修正的控制精度从最初的分米量级提高至0.009m/s。高精度轨道控制使得提前32h再入角控制精度达到0.024°,较设计指标提高1个数量级。文中提及的轮控调姿方法可作为未来深空探测任务姿态控制的设计参考。     

Detumbling strategy based on friction control of dual-arm space robot for capturing tumbling target

The rotational motion of a tumbling target brings great challenges to space robot on successfully capturing the tumbling target. Therefore, it is necessary to reduce the target’s rotation to a rate at which capture can be accomplished by the space robot. In this paper, a detumbling strategy based on friction control of dual-arm space robot for capturing tumbling target is proposed. This strategy can reduce the target’s rotational velocity while maintaining base attitude stability through the establishment of the rotation attenuation controller and base attitude adjustment controller. The rotation attenuation controller adopts the multi-space hybrid impedance control method to control the friction precisely. The base attitude adjustment controller applies the dual-arm extended Jacobian matrix to stabilize the base attitude. The main contributions of this paper are as follows: (1) The compliant control method is adopted to achieve a precise friction control, which can reduce the target angular velocity steadily; (2) The dual-arm extended Jacobian matrix is applied to stabilize the base attitude without affecting the target capture task; (3) The detumbling strategy of dual-arm space robot is designed considering base attitude stabilization, realizing coordinated planning of the base attitude and the arms. The strategy is verified by a dual-arm space robot with two 7-DOF (degrees of freedom) arms. Simulation results show that, target with a rotation velocity of 20 (°)/s can be effectively controlled to stop within 30 s, and the final deflection of the base attitude is less than 0.15° without affecting the target capture task, verifying the correctness and effectiveness of the strategy. Except to the tumbling target capture task, the control strategy can also be applied to other typical on-orbit operation tasks such as space debris removal and spacecraft maintenance.     

High precision attitude dynamic tracking control of a moving space target

On-orbit spacecraft face many threats, such as collisions with debris or other spacecraft.Therefore, perception of the surrounding space environment is vitally important for on-orbit spacecraft.Spacecraft require a dynamic attitude tracking ability with high precision for such missions.This paper aims to address the above problem using an improved backstepping controller.The tracking mission is divided into two phases: coarse alignment and fine alignment.In the first phase,a traditional saturation controller is utilized to limit the maximum attitude angular velocity according to the actuator's ability.For the second phase, the proposed backstepping controller with different virtual control inputs is applied to track the moving target.To fulfill the high precision attitude tracking requirements, a hybrid attitude control actuator consisting of a Control Moment Gyro(CMG) and Reaction Wheel(RW) is constructed, which can simultaneously avoid the CMG singularity and RW saturation through the use of an angular momentum optimal management strategy, such as null motion.Finally, five simulation scenarios were carried out to demonstrate the effectiveness of the proposed control strategy and hybrid actuator.     

基于变结构控制器的敏捷卫星姿态机动方法

随着遥感卫星观测能力的逐步提升,对卫星敏捷机动能力提出了更高的要求。针对敏捷卫星大角度姿态机动问题,以6个单框架控制力矩陀螺(SGCMG)组成五棱锥构型的姿态控制系统执行机构,在构建敏捷卫星姿态运动数学模型以及设计SGCMG系统操纵律的基础上,对卫星绕Euler轴进行姿态机动的角轨迹进行规划,并设计了一种基于误差四元数与误差角速度的变结构控制器。仿真及在轨验证结果表明,该控制器能够完成规划轨迹的良好跟踪且具有较强的鲁棒性,研究成果对敏捷卫星姿态控制系统的设计具有重要的参考意义。     

Super twisting controller for on-orbit servicing to non-cooperative target

A relative position and attitude coupled controller is proposed for rendezvous and docking between two docking ports located in different spacecraft. It is concerned with servicing to a tumbling non-cooperative target spacecraft in arbitrary orbit subjected to external disturbances.By considering both kinematic and dynamical coupled effects of relative rotation on relative translation, a coupled dynamic model is established to represent the relative motion of docking port on target spacecraft with respect to another on the service spacecraft. The spacecraft control is based on the second order sliding mode algorithm of super twisting(ST). It is schemed to manipulate the relative position and attitude synchronously. A formal proof of the finite time convergence property of the closed-loop system is derived theoretically by the second method of Lyapunov. Numerical simulations with the designed ST controller are presented to validate the analytic analysis by contrast with the twisting control algorithm. Simulation results demonstrate that the proposed relative position and attitude integrated controller is characterized by high precision, strong robustness and high reliability.     

共位衍射电磁航天器成像过程中的小推力控制 (新型推进系统控制专栏)

为了满足衍射成像系统在解决低轨遥感航天器覆盖范围小、目标重访周期长等问题的同时,而引入的航天器相对位置、姿态控制需求。针对共位衍射航天器相对位置、姿态控制过程中传统推力器带来的羽流污染问题,本文采用电磁推力器和飞轮作为执行器,设计一种基于快速非奇异滑模的轨道控制器和基于PID的姿态控制器。所设计的快速非奇异滑模轨道控制器为共位衍射航天器频繁位置调整提供控制保障,基于PID的姿态控制器能够消除由电磁力耦合产生的电磁干扰力矩。研究结果表明：基于相对轨道动力学方程设计的快速非奇异滑模控制律鲁棒性好、收敛速度快,能够达到两颗共位衍射电磁航天器沿z轴保持在10m相对距离的控制效果。在轨道调整过程中,其姿态能够通过PID算法稳定控制到期望姿态,使衍射成像结构一直保持不变,从而有效完成衍射成像任务。     

空间站姿态控制的一种新算法

以四元数作为定位参数对空间站进行姿态控制。首先给出了以四元数表示的系统动力学西式其次提出了非线性三轴姿态控制方法,该方法是以四元数作为反馈量,控制力矩陀螺作为执行元件,利用李亚普诺夫函数对非线性系统进行控制,为大型航天器的姿态控制开辟了新的途径;最后以一空间粘为例进行了姿态控制仿真计算,从而说明以四元数为定位参数的空间站姿态控制方法具有计算速度快、计算精度高等优点。     

逼近无控旋转目标航天器的混合势函数安全制导

研究了追踪航天器逼近无控旋转目标航天器的安全制导问题，逼近过程中，追踪航天器需要躲避空间中的障碍物，同时需要避免与目标航天器的太阳能电池帆板和天线等附件发生碰撞。建立了视线坐标系下的两航天器间的相对运动方程，采用四元数描述目标航天器的姿态运动。将参考位置设为引力源，设计了吸引势函数。针对安全逼近问题，建立了球面安全区和锥面安全走廊，设计了安全势函数。将障碍物假设为具有一定半径的球体，设计了障碍物势函数。吸引势函数、安全势函数和障碍物势函数一起组成了混合势函数。为了解决整个势场中除参考位置外还可能存在其他局部极小点问题，对混合势函数进行了修正，保证参考位置位于混合势函数的最低点。利用Lyapunov稳定性理论对混合势函数进行了稳定性分析，推得符合要求的控制加速度，使追踪航天器沿着混合势函数的负梯度方向逼近无控旋转目标航天器。最后通过数值仿真验证了该方法的有效性。     

Coordinated Multiple Spacecraft Attitude Control with Communication Time Delays and Uncertainties

In this paper, we consider the coordinated attitude control problem of spacecraft formation with communication delays, model and disturbance uncertainties, and propose novel synchronized control schemes. Since the attitude motion is essential in non-Euclidean space, thus, unlike the existing designs which describe the delayed relative attitude via linear algorithm, we treat the attitude error and the local relative attitude on the nonlinear manifold-Lie group, and attempt to obtain coupling attitude information by the natural quaternion multiplication. Our main focus is to address two problems:1) Propose a coordinated attitude controller to achieve the synchronized attitude maneuver, i.e., synchronize multiple spacecraft attitudes and track a time-varying desired attitude; 2) With known model information, we achieve the synchronized attitude maneuver with disturbances under angular velocity constraints. Especially, if the formation does not have any uncertainties, the designer can simply set the controller via an appropriate choice of control gains to avoid system actuator saturation. Our controllers are proposed based on the Lyapunov-Krasovskii method and simulation of a spacecraft formation is conducted to demonstrate the effectiveness of theoretical results.