大气阻力摄动下的绳系辅助离轨系统的相对姿态跟踪控制研究

以绳系辅助离轨系统为背景,考虑到大气阻力摄动和子星--返回舱的非质点因素,返回舱与绳系辅助离轨系统的相对姿态将产生大幅周期性变化,这将影响或破坏系统的稳定性;同时三自由度下绳系系统的展开控制和绳系系统横向振动抑制控制也对返回舱姿态的稳定性和精度提出了更高的要求.基于此,本文建立了大气阻力摄动下的绳系系统的展开动力学和返回舱姿态动力学模型;并在此基础上,设计了绳系辅助离轨系统的相对姿态跟踪控制策略.通过数学仿真来验证大气阻力摄动下该姿态跟踪控制算法的有效性,结果表明,该控制律能够有效控制绳系辅助离轨系统的相对姿态,满足展开控制的需要.     

绳系卫星安全捕获策略下的释放最优控制

安全捕获是绳系卫星系统空间应用的一个重要拓展。考虑系绳质量、系统质心变化及状态、控制约束,采用基于Lagrange方程的圆轨道条件下空间绳系网捕系统三维动力学模型。建立了安全捕获模型,推导得到零相对速度条件下的安全捕获末端条件。为保证方法的适用性,将基于Legendre伪谱法的连续时间最优控制问题离散为标准的非线性动态规划问题。最后在考虑释放控制前初始面外角偏差为5°的情况下,通过数值仿真验证了方法的有效性。仿真结果表明：对于远距离释放条件下的安全捕获,系统质心变化不容忽视;最小能量与绳长加速度约束下的控制响应相比最小时间与面内角约束要更平滑。     

基于电动力绳系的航天器离轨方式初步研究

为寻找适合近地轨道上使用的航天器离轨技术,文章对目前各种离轨策略的基本原理及优缺点作了分析与对比,重点对电动力绳系离轨装置进行了深入研究,建立了数学模型,推导出离轨时间预估公式,对离轨的过程进行了数学仿真,结果证实电动力阻力能使近地轨道上航天器的轨道高度迅速降低,电动力绳系离轨策略具有很高的工程实用性。     

考虑太阳帆板振动的空间绳系拖曳动力学与控制

针对使用空间绳网捕获带有太阳帆板等柔性附件的大型失效航天器的碎片清除任务,充分考虑了拖曳过程中柔性附件产生的振动对系统的稳定造成的影响。首先采用凯恩方法建立了失效航天器绳系拖曳系统动力学模型,在建模过程中充分考虑系绳的质量和振动、帆板的振动、系统的轨道运动对姿态的影响等,使动力学模型更加详细和完整,且该动力学模型不受失效航天器所处位置的限制,适用于任意轨道上的失效航天器的拖曳离轨任务;之后根据平衡状态的特点,求取了系统的平衡解,并在平衡解附近对动力学方程线性化,然后采用李雅普诺夫方法分析了系统的稳定性及各参数的变化规律;并针对失效航天器可能产生的姿态章动设计了常值张力切换控制律;最后采用数值仿真的方法分析了失效航天器的帆板振动对绳系拖曳过程的影响,校验了控制律的有效性。     

空间碎片绳网捕获拖曳恒张力控制

针对空间绳网系统捕获空间碎片后,在轨道转移过程中的精确控制问题,提出一种使用常值拉力将空间碎片拖曳至坟墓轨道的方法。首先,采用牛顿欧拉法建立绳系组合体动力学模型;其次,通过李雅普诺夫方法证明仅使用恒张力即可实现拖曳过程的稳定控制;再次,提出采用常值拉力切换控制律抑制空间碎片的姿态章动,采用基于相平面控制原理的控制律抑制绳系组合体面内面外摆动,规避在轨道转移过程中系绳松弛造成缠绕、系绳张力过大造成断裂或两星接近发生碰撞等风险。最后,通过拖曳离轨全过程仿真分析,校验了所提出控制方法的有效性。     

绳系拖曳离轨模型及脉冲喷气控制策略的可行性

在空间绳网的绳系组合体拖曳变轨运动控制中,系绳张力控制策略需要有一套卷扬机构及张力检测控制装置,将增加机构的质量、复杂度和成本,并降低操作可靠性。提出仅利用拖船飞行器上的三轴正交喷嘴控制策略,可同时实现拖曳离轨中的相对运动控制和系统质心的轨道控制,而系绳张力只作为约束,推导了组合体拖曳离轨的三维空间运动动力学模型,给出了一种准霍曼拖曳离轨控制方法,完成了同步轨道废弃目标拖曳离轨方案的初步可行性仿真验证,并给出了拖曳过程的喷气力、燃料消耗量指标,可供空间绳网研究参考。     

空间绳系组合体拖曳动力学分析及振动控制

空间绳系捕获系统捕获目标物后的组合体在拖曳离轨过程中常产生振动,为此,建立了切向连续推力作用下的空间拖曳绳系组合体面内动力学模型,并对模型进行了横向摆动与纵向振动耦合分析。针对组合体的纵向振动问题提出了一种以张力控制为内环、速度控制为外环的双闭环振动控制策略。进行了振动控制仿真分析,并根据动力学的相似性,建立地面模拟实验系统,仿真与实验结果表明该控制策略可迅速抑制组合体纵向振动、减小系绳冲击并可避免出现系绳松弛现象。     

辐射开环空间绳系机器人编队动力学及控制

提出了一种新型辐射开环空间绳系机器人编队系统,其在编队稳定性、任务灵活性及燃料消耗等方面具有明显的优势。针对辐射开环空间绳系机器人编队系统自旋运动过程中的构型误差控制问题,首先建立了编队系统的自旋动力学模型;然后分析了空间绳系机器人的绳系拉力和空间平台的自旋扭矩对编队系统自旋运动中出现的构型误差的控制能力;设计了一种依靠空间绳系机器人绳系拉力和空间平台自旋扭矩作为控制量,对构型误差进行控制的协调控制方法;最后通过数字仿真进行了校验和分析。仿真结果表明：设计的协调控制方法能够明显改善编队系统自旋运动中构型误差的控制效果。     

空间绳系研究综述

空间绳系根据原理主要分为两类:动量交换绳系和电动力绳系。文章详细介绍了两者的基本原理、动力学模型和控制策略,描述了空间绳系技术实验项目的研究情况以及绳系结构设计和生存能力问题,对空间绳系的研究热点以及发展趋势进行了预测,同时列举了大量关于空间绳系技术的参考文献。研究表明:动量交换绳系和电动力绳系都可以实现无推进剂推进,提供各种离轨和再入功能,具有广阔的应用前景。     

改进的绳系卫星系统距离速率控制律

为扩大绳系卫星系统(TSS)控制的稳定域,提出了一种改进距离速率控制算法。根据TSS动力学方程及构造的二阶稳定系统,给出了修正的控制模型。讨论了稳定释放角度和释放/回收速度的影响,并研究了固定绳索长度系留控制方案。算例表明该方法可显著扩大稳定域,提高释放速度。     

Robust attitude stabilization of spacecraft subject to actuator failures

A robust nonlinear control scheme is developed to stabilize the 3-axis attitude of the spacecraft for cases where there is no control available on either roll or yaw axis. The stability conditions for robustness against unmatched uncertainties and disturbances are derived to establish the regions of asymptotic 3-axis attitude stabilization. The properties of the proposed sliding surface are investigated to obtain the domains of sliding mode for the closed-loop system. Several numerical simulations are presented to demonstrate the efficacy of the proposed controller and validate the theoretical results. The control algorithm is shown to compensate for time-varying external disturbances including solar radiation pressure, aerodynamic forces, and magnetic disturbances; and uncertainties in the spacecraft inertia parameters. The numerical results also establish the robustness of the proposed control scheme to negate disturbances caused by orbit eccentricity.     

A novel single thruster control strategy for spacecraft attitude stabilization

Feasibility of achieving three axis attitude stabilization using a single thruster is explored in this paper. Torques are generated using a thruster orientation mechanism with which the thrust vector can be tilted on a two axis gimbal. A robust nonlinear control scheme is developed based on the nonlinear kinematic and dynamic equations of motion of a rigid body spacecraft in the presence of gravity gradient torque and external disturbances. The spacecraft, controlled using the proposed concept, constitutes an underactuated system (a system with fewer independent control inputs than degrees of freedom) with nonlinear dynamics. Moreover, using thruster gimbal angles as control inputs make the system non-affine (control terms appear nonlinearly in the state equation). This necessitates the control algorithms to be developed based on nonlinear control theory since linear control methods are not directly applicable. The stability conditions for the spacecraft attitude motion for robustness against uncertainties and disturbances are derived to establish the regions of asymptotic 3-axis attitude stabilization. Several numerical simulations are presented to demonstrate the efficacy of the proposed controller and validate the theoretical results. The control algorithm is shown to compensate for time-varying external disturbances including solar radiation pressure, aerodynamic forces, and magnetic disturbances; and uncertainties in the spacecraft inertia parameters. The numerical results also establish the robustness of the proposed control scheme to negate disturbances caused by orbit eccentricity.     

基于拟欧拉角描述的上面级姿态控制律设计

上面级在多星部署过程中将涉及大角度姿态机动问题,卫星释放所引起的质心横移将给上面级姿态控制带来困难。根据系统质心的横移情况,在上面级体坐标系中确定矢量喷管的平衡位置,进而确定出矢量喷管指向指令方向时的上面级姿态。调制姿态四元数可以得到描述上面级姿态偏差的拟欧拉角及相应的拟欧拉角速度,在拟欧拉角描述的上面级姿态运动模型的基础上,选择合适的滑模面,构造变结构控制律。仿真结果表明,该控制律可对上面级姿态进行控制,进而实现对矢量喷管指向的间接控制,喷管摆角的限幅不会影响姿态控制的过程。     

过驱动航天器飞轮故障重构与姿态容错控制

针对四反作用飞轮配置的刚体航天器执行机构故障以及外部干扰等问题,提出一种姿态容错控制分配算法。该方法通过设计滑模观测器,实现在有限时间内对执行机构故障与外部干扰的精确重构;特别地,应用Lyapunov稳定性理论证明了所设计的控制器能够在有限时间内实现对闭环姿态的全局渐近稳定控制,且该控制策略可实现对反作用飞轮故障与外部干扰的鲁棒性。此外,采用计算量较小的基序最优控制分配方法快速实现了期望控制力矩到四反作用飞轮指令控制力矩分配。最后,针对某型号航天器以及各种反作用飞轮故障进行数值仿真,仿真结果表明所设计过驱动航天器飞轮故障重构与姿态容错控制方法能够在线、及时、精准地完成故障重构与控制分配。     

柔性航天器姿态机动轨迹设计及跟踪控制

针对柔性航天器姿态机动的“快速性”及“稳定性”矛盾,研究了一种优化与控制综合的姿态机动轨迹设计与跟踪控制方法。首先,考虑柔性航天器姿态机动过程中既快又稳的需求,建立姿态机动的多目标多约束条件,优化获得姿态机动轨迹,在满足快速性基础上,最大限度提高稳定性;其次,设计新型的快速鲁棒输入成形器(FRIS),与传统输入成形器相比,FRIS具有更短的作用时间及更强的鲁棒性,能够有效抑制柔性附件振动,为姿态机动的“快速性”及“高精度”奠定基础;最后,设计新型自适应连续终端滑模控制器(ACTSMC),避免增益过估计,提高控制精度,实现对期望姿态轨迹的有限时间快速高精度跟踪控制。数值仿真校验了所提方法的有效性。     

基于数值微分方法的卫星陀螺故障诊断(英文)

提出一种基于数值微分的卫星陀螺故障诊断方法。通过引入代数可观测的概念,将故障诊断问题转化为求解数值微分问题。并根据卫星姿态运动学方程证明了陀螺故障的代数可观性。然后通过高增益观测器的方法来近似姿态敏感器测量输出的数值导数,并利用李雅普诺夫理论分析和设计高增益观测器。基于陀螺故障的代数可观性和星敏感器测量输出的数值微分,可以直接得到陀螺组件的故障估计值。最后,通过突变、缓变和并发故障等仿真算例验证了算法的有效性,仿真结果表明所提出的方法不仅可以检测故障的发生,而且能够估计故障幅值。     

关于磁强计与磁力矩器分时工作方案的研究

鉴于磁力矩器与磁强计同时工作会对磁强计地磁测量精度产生很大影响,本文提出一个磁强计与磁力矩器分时工作的方案,然后比较了卫星姿控系统采用不分时/分时两种方案的差异,最后研究了不同分时比例对卫星姿态控制的影响。通过仿真发现:当姿控系统采用分时方案时,电能消耗较少,早期阶段的控制精度较高,而后期稳态阶段的控制精度则相对较低;随着磁力矩器占用时间比例的下降,卫星姿态控制精度呈抛物线下降,卫星进入稳态控制阶段的时间也大大延长;分时比例存在一个相当大的范围,当在此范围内变化时,卫星姿态控制精度较高且变化幅值不大。此外,研究结果也反映出PD控制律良好的控制能力和鲁棒性。     

组合体航天器输入-状态稳定姿态接管控制

本文针对具有对抗性力矩输出能力的空间非合作目标,研究了基于输入-状态稳定理论的组合体航天器姿态接管控制方法。首先,建立了基于相互作用力矩实时计算的组合体姿态激励-响应映射关系,实现了对组合体航天器姿态运动的准确描述;然后,基于输入-状态稳定性理论设计了不依赖系统模型参数的姿态接管控制器并给出了参数选择范围,实现了对存在有界不确定对抗力矩非合作目标的姿态接管;最后通过数值仿真校验了控制方法的有效性。     

Sensitivity studies of the deployment of a square inflatable solar sail with vanes

This paper summarizes the results of numerical experiments to determine the sensitivity of the final attitude of an inflatable solar sail with vanes after deployment to various parameters affecting the deployment process. These parameters are: in- and out-of-plane asymmetries during deployment, length inflation profile, and vane deployment failures. We show how robust the sail deployment is to geometric asymmetries before a 35° off-Sun angle is reached. Differential delays in the time to inflate the booms and a boom sweep-back angle affect the stability favorably. Adjacent vane failures to deploy affect the stability unfavorably, while the failure of opposing vanes is acceptable. Realistic boom length rate profiles obtained during ground tests are used in the simulation showing that failing adjacent vanes in conjunction with initial inflation delays in adjacent booms represent the worst case. We also demonstrate that by feeding back attitude and attitude rate measurements so that a corrective action is taken during the deployment, the final attitude can be maintained very close to the initial attitude, thus mitigating the attitude changes incurred during deployment.     

基于时频域分析的轮控航天器姿态控制规律参数整定

研究了轮控航天器姿态控制规律的设计与参数整定问题。采用xyz转序欧拉角描述航天器姿态,建立了航天器动力学及运动学方程,并设计了非线性解耦控制律,使得各回路可独立设计PID控制器。以滚动回路为例,分析了PD控制参数与系统带宽、截止频率、相位裕度等多项频域指标的关系,从而设计有效的稳态控制器以应对挠性结构振动和系统时延等;接着根据姿态控制特性给出了积分参数选取及积分饱和处理策略;同时为快速完成姿态机动,结合时间最优控制特性分析了控制参数与机动角度的关系;此外,执行机构效率和系统干扰力矩等因素也被用于控制参数域的整定。最后利用整定策略设计了某型卫星的姿态控制器,并通过频域分析和数学仿真检验了该方法的有效性和实用性。