多星近距离绕飞观测任务姿轨耦合控制研究

针对多星近距离绕飞观测任务,建立了相对姿态轨道动力学模型,分别考虑了在椭圆、空间圆绕飞轨道上观测卫星的两种期望三角形编队构型,以观测卫星视线始终指向目标为期望姿态,采用基于四元数和角速度误差反馈的比例 微分控制律以及一种改进的基于人工势场法的制导方法相结合,对相对姿态及轨道进行控制。仿真结果表明：在控制律的作用下,绕飞过程中各观测卫星均能够有效地跟踪期望相对姿态和期望相对轨道;在空间圆绕飞轨道构型中,各观测卫星从初始同一位置出发后,在任意时刻3颗观测卫星构成的编队构型始终为正三角形,且正三角形的边长从零逐渐增大,最终等于期望正三角形构型的边长。     

基于Tersoff-Brenner势的航天器群图形编队研究

从分子动力学模拟角度提出了一种分布式航天器群导航控制方法,可使行星中心开普勒轨道上的航天器群在有限的感知信息条件下自发实现图形编队.该法基于人工势场技术,主要分为两个部分：改造自C-W方程的外围全局汇聚势场和基于Tersoff-Brenner势的局部塑形势场.前者将各航天器导引至预设汇聚点附近,后者进一步使各航天器自我调整彼此相对位置,最终编成期望构型.此外,引入一速度依赖型耗散项以确保任意初始分布条件下图形编队均收敛.通过地球同步轨道上航天器群正四面体构型（含中心,即金刚石结构单元）编队仿真,验证了所提方法的有效性和优越性.将编队脚本简单修改,该法还可方便用于其它类碳元素同素异形体构型的塑造,如石墨晶体结构单元正六边形等.     

基于视线测量的卫星编队机动控制方法

采用视线测量的方法,建立一种编队卫星队形保持与机动的协同控制策略。编队中每一个卫星跟踪自己轨道前方邻近卫星,产生一个视线测量矢量,编队的第一个卫星根据高级控制层指令追踪期望轨道,产生链式编队,将编队卫星之间的视线距离作为反馈控制量来实现队形控制。通过推导J2相对摄动力的表达式,控制模型考虑了模型不确定性和摄动影响,采用滑模控制器,实现了基于视线测量的编队卫星链式跟踪协同控制。仿真算例结果表明,该方法在实现编队卫星队形保持与整体机动控制上具有可行性。     

近地轨道集群航天器电磁编队飞行非线性反馈控制方法

针对近地轨道集群航天器电磁编队飞行的动力学和控制问题, 提出了一种非线性反馈控制方法. 基于电磁力模型和地磁场模型, 分析了地磁场对近地轨道电磁编队的影响; 建立了集群航天器电磁编队高精度相对轨道动力学模型; 基于Lyapunov稳定性理论设计了一种非线性反馈控制律, 利用该方法对两星电磁编队维持控制进行了仿真验证. 仿真结果表明, 地磁场引起的电磁干扰力可以忽略, 但是电磁干扰力矩的影响必须考虑; 近地轨道集群航天器电磁编队是可控的, 所设计的控制方法是可行的.      

编队飞行航天器平均轨道根数非线性控制研究

基于非线性动力学模型,研究了环绕编队航天器的相对运动控制问题,介绍了一种基于平均轨道根数的航天器编队飞行非线性闭环控制方法。以航天器在惯性坐标系下位置速度向量误差为输入量,给出了一种全状态反馈控制律,利用Lyapunov方法证明该闭环系统是渐进稳定的;最后利用该方法对一个编队进行控制,仿真结果表明了该控制方法的可行性。     

二阶多智能体系统自抗扰编队跟踪与避撞控制

在多智能体编队的目标跟踪任务中,智能体受环境中的障碍物的遮挡作用会丢失目标,而外部扰动会影响系统的时变编队跟踪的控制效果。为此,研究了这两种因素同时存在情况下的二阶多智能体系统时变编队跟踪和避撞控制。采用基于目标跟踪优先级的切换拓扑控制策略以实现在障碍物遮挡环境中对目标的持续跟踪,根据自抗扰理论设计包含扰动补偿项的编队跟踪控制器。首先,基于一致性方法提出切换拓扑下自抗扰时变编队跟踪控制协议,并给出一种基于跟踪微分器的编队指令生成方法;其次,设计了求解控制参数的算法并给出协议作用下系统的稳定性分析和证明;然后,基于人工势场法设计避撞控制协议;最后,提出障碍物遮挡环境下自抗扰时变编队跟踪控制协议。仿真实验结果表明:所设计的控制协议在上述两种因素存在时仍具有良好的控制效果。      

径向共线多星库仑编队飞行构型保持研究

本文研究了多星库仑卫星编队在地球同步轨道处径向轨道动力学与控制问题.首先建立了N颗卫星在同步轨道点处的动力学模型,然后以只在库仑力作用下的四颗卫星编队为例,对共线四星编队模型进行线性化处理.针对其动力学模型设计了LQR控制器.考虑到建模误差,利用误差最大有界范围的二范数设计了改进型的LQR控制律,针对变量引入积分项对扰动误差进行补偿以提高控制精度.数值仿真结果表明,所建立的多星编队动力学模型是正确的,引入积分项的控制减少了编队构型稳定所需时间,且有效维持了编队构型.     

主星带辅星群干涉SAR编队设计的约束条件

针对主星带辅星群干涉SAR的星载双站、斜视、空间基线等特点,从系统工作过程和测高性能分析角度出发,分别对主星带辅星编队干涉SAR编队设计的几个变量(主星与辅星群的距离、基线的长度和指向角)提出设计约束条件。对辅星回波时序、信噪比进行分析,得到主、辅星间距离设计的约束条件;对干涉测高精度进行分析,重点考虑空间基线去相关对干涉相位误差进而对测高精度的影响,给出基线长度和指向角与干涉测高精度的关系,得到基线长度和指向角设计的约束条件。仿真分析表明,由于干涉车轮和干涉钟摆编队是基于正侧视干涉几何提出的,它们的测高性能不是最优的。     

分布式SAR超分辨成像的卫星编队构形优化设计方法

编队构形设计是分布式卫星系统总体设计的关键问题,提出了一种编队构形优化设计方法。针对主星带辅星群体制分布式合成孔径雷达(SAR)超分辨率任务,从优化系统效能的角度出发,将满足超分辨性能的时间比率和分辨率改善因子作为编队构形优化设计的目标函数,以基线矢量为中间变量,建立了目标函数与编队卫星轨道根数的关系,并采用遗传算法求解。对不同卫星数目的编队系统进行了优化设计仿真,并与干涉车轮和钟摆编队构形方案进行了分析比较,数值结果验证了该优化设计方法的有效性和正确性。该设计方法还可改变优化目标函数,以适应用户的任务要求。     

一种柔性空间双臂机器人的协同控制和避障方法

针对柔性空间机械臂在轨服务应用需求,提出一种基于刚体运动与柔性振动相耦合的空间双臂机器人协同控制方法.首先引入空间位姿变量的概念,构造出面向协同控制目标的Jacobian矩阵,建立柔性空间机器人系统的刚柔耦合动力学模型,基于指定的最小距离得到其运动学逆解,并根据系统动量矩守恒关系及系统的Jacobian矩阵,并根据机械臂末端的运动速度,然后采用阻尼最小二乘法得出关节角度,使柔性空间机器人能够有效完成协同控制和空间避障任务,并基于RecurDyn V7R5软件环境验证算法的正确性.最后,基于SolidWorks和ADAMS虚拟样机建立柔性空间机器人系统的立体CAD模型,并结合空间在轨搬运任务进行模拟仿真,柔性空间机器人关节操作和运动轨迹的仿真结果图验证了本文算法的有效性.     

基于代理模型的卫星编队重构最短距离建模

针对编队卫星成员数量较多时,编队重构规划考虑碰撞规避会带来巨大的计算开销。为降低计算开销和提升优化效率,基于CW方程和双脉冲轨道机动策略,建立了能够快速预测编队卫星重构过程最短距离的多种代理模型,并基于三种不同大小的训练集,从模型精度和效率两方面进行了对比。结果表明,克里金(KRG)模型在各种代理模型中精度最高,而且随着训练量的增加,KRG和人工神经网络(ANN)模型的性能得到了明显改善,模型精度得到了一定的保证。研究还发现,尽管KRG模型预测时间高于其他代理模型,但与真实模型相比,其耗时仍然很短,因此可用于提高考虑避碰约束时卫星编队重构轨迹优化的效率。     

利用人工势函数法的卫星电磁编队控制

卫星电磁编队是指利用卫星之间相互作用的电磁力进行卫星相对运动控制,对控制律的要求主要是计算量小和能避免碰撞.以目标星对参考星的相对运动矢量作为控制对象,分析了使用电磁力控制卫星编队的可行性,结果是如果编队卫星磁矩能够任意控制,那么卫星相对运动也能完全控制.设计了人工势函数,以相对位置和相对速度矢量作为变量,人工势函数在达到控制目标时为最小值,在碰撞的位置具有局部最大值.设计的控制律能够实时调整控制参数,能够保证电磁线圈控制电流不至于饱和,以及人工势函数导数在控制过程中小于零.仿真表明,所设计的控制律能生成编队构型并避免碰撞,而且具有一定的抗干扰性.     

基于高斯伪谱法的碰撞规避策略研究

为保证在轨卫星运行安全，对于碰撞概率较高的空间交会情况需要进行规避机动，防止在轨卫星与空间碎片碰撞.选取连续推力策略进行规避机动，将空间碰撞规避过程转化为满足复杂约束的最优控制问题，采用高斯伪谱法对最优控制律进行求解，求解结果满足相应约束.研究结果为航天器有效规避空间碰撞威胁提供了有力支持.      

编队卫星防碰撞规避路径规划方法与控制研究

针对编队卫星在构型重构和构型失效重组时发生碰撞可能性最大的两种机动工况,采用数学规划的方法对其进行防碰撞规避准则、规避策略和控制方面的研究;并通过系统可控性证明出无径向推力相对于全向推力,也可以达到目标相位点只是燃料消耗得多。对编队构型失效重组工况中备份星机动前停泊位置,进入编队位置选择和启动时刻选择以及故障星离开编队后,目标轨道确定等问题通过数学仿真的形式予以解答。仿真结果表明,该研究方法真实可信、简便有效。     

基于预设性能控制的超紧密航天器编队防避撞协同控制

研究了考虑具有外界干扰和防避撞约束的近地轨道超紧密航天器构型控制问题,将反步控制技术、预设性能控制相结合,提出了一种基于预设性能鲁棒控制的六自由度编队协同鲁棒控制方法。首先,给出了近地轨道完整的编队航天器相对位置和相对姿态非线性动力学方程,并根据状态约束条件转换了相对位置动力学模型。其次,设计了预设性能函数,通过误差转换,建立系统等效误差模型,基于反步法设计了预设性能鲁棒控制器,进一步应用Lyapunov稳定性定理证明了其闭环系统的一致最终有界性。最后在MATLAB/Simulink平台上进行了仿真验证,结果表明了方法的有效性。     

Progress in Space Debris Research

During recent years, A de-orbit disposal of SinoSat 2 satellite and the depletion of the residual propellant after SC/LV separation for all LM-4 series launch vehicles were carried out. Stuffed Whipple Shields based on hypervelocity impact particles were developed. Routine observation and collision avoidance were performed. The main progress in space debris research will be introduced from three aspects: mitigation, spacecraft protection, observation and collision avoidance.      

基于拟态电势能的飞行器航路规划方法

航路规划是现代各类飞行器,特别是无人机（UAV）安全飞行和完成任务的关键要素。对于复杂威胁环境和高维空间的航路规划问题,传统规划方法在规划速度、航路安全性、算法适用性等方面存在一定的应用局限。分析了电荷在电场中移动引起电势能变化的特点规律及电势场分布特性,模拟电势场理论对飞行环境进行威胁建模,建立基于电势威胁场引导的航路节点概率选择机制及安全性评价准则。在此基础上,构建基于拟态电势能的随机采点扩展式航路规划方法。通过与传统航路规划方法的对比仿真实验表明,运用拟态电势能进行航路规划,能够显著缩短路径长度和计算时间,提高规划航路的安全性,对于航路规划的应用很有价值。