空间交会最优控制理论和方法的研究进展

本文概述了国内外最优交会控制理论和方法,着重论述了近几年国内的进展。介绍了有限推力作用下邻近的近圆轨道最优交会,一般共面椭圆轨道全局最优交会,多冲量推力线性化和非线性交会轨道最优制导和水平冲量推力最优交会控制理论和方法的研究成果。     

仅测角导航多约束交会的闭环最优制导

针对多目标、多约束仅测角导航自主交会闭环最优制导问题,提出一种基于凸优化方法的最优制导算法。首先,考虑可观测性和鲁棒性要求,建立仅测角导航与制导多目标优化的性能指标,在此基础上,确立多目标、多约束最优交会问题的目标函数,以及基于凸优化的最优制导问题求解方法;然后,根据仅测角相对导航和制导之间存在的"耦合"关系提出了仅测角导航闭环制导的框架和解决方案;最后,仿真分析可观测性对导航和制导性能的影响,验证了所提出的仅测角导航多约束交会闭环凸优化制导方法的有效性。     

空间最优交会

在相对体制下,本文讨论了混合指标下的最优交会问题。除给出了最优交会体制导律的结构形式外,还提供了求解最优交会制导律的参数方程组。该方程具有迭代求解形式,给数字求解带来极大方便。     

一种用于远程交会的末段制导优化方法

研究了E制导方法实现空间飞行器远程交会末制导的问题.在能量最省指标约束下,采用函数极值方法求解出最优交会时间.针对E制导方法对发动机推力可变的要求,采用PWPF调节器对具有常推力轨道发动机的空间飞行器推力加速度进行调制,得到E制导方法要求的"变推力".仿真结果表明该方法可以实现远程交会末制导且精度较高.     

远程自主交会改进制导算法

给出了一种适用于中、远程自主交会的改进制导算法。建立了交会两飞行器的相 对运动动力学模型;给出了可用于获取主、被动飞行器在惯性空间信息的轨道预报算法,并 且本预报算法是基于轨道要素描述的,同时考虑了J2项引力摄动,具有较高精度 。最后建立了用于优化制导指令速度的优化算法,和优化制导时间的燃料最优目标函数,优 化后的指令速度可使主动飞行器更精确地到达预定交会点。给出的数值仿真算例显示, 对于中、远程交会任务,单纯的C\|W制导算法所带来的终端误差较大,而改进的交会制导 算法可以十分明显地提高远程自主交会的制导精度。     

混合遗传算法在远程交会轨道设计中的应用

远程交会是交会过程中能量消耗最大、时间消耗最长的阶段,属于多变量、多极值优化问题,传统的优化算法很难求得全局最优解。本文在对四冲量远程交会制导方法建模和分析的基础上,利用混合遗传算法对基于轨道要素的轨道设计进行了优化和仿真分析。仿真结果表明,遗传算法能够弥补传统优化算法的不足,对远程交会进行轨道优化设计。     

实现快速轨道大机动的混合制导策略研究

主要研究了在有限推力情况下远程快速轨道交会的制导控制问题,提出了采用速度增益制导结合E制导的混合轨控方案实现两冲量轨道精确交会。通过仿真验证,各方向制导位置控制精度在100 m量级,各方向速度控制精度在m/s量级,2种制导方法能很好地实现交班转换。该方法工程可实现性好,可满足远程快速轨道交会制导要求。     

基于改进伪谱反馈控制的远程变轨闭环制导

利用最优反馈控制和轨迹快速重构技术,设计一种有限推力空间远程变轨自适应闭环制导方法。首先给出了最优反馈控制的求解原理和必要条件。将空间变轨动力学模型特点和伪谱法相结合,设计基于状态量缩减的计算效率改进策略以提高轨迹优化的实时性。基于改进伪谱法进行逐次轨迹快速重构,利用开环最优解形成闭环反馈,从而保证制导指令的实时更新,并通过引入控制逻辑改进制导算法。远程交会仿真表明,该闭环制导方法在保证任务指标具有一定最优性的同时,可以有效抑制多种参数不确定性和外界干扰的影响,具有较高的制导精度、自适应性和鲁棒性。     

椭圆轨道交会、悬停与绕飞的全状态反馈控制

面向大椭圆轨道航天器交会对接、编队伴飞以及在轨操控等空间应用的需求,对大椭圆轨道上航天器间的相对运动进行了分析与建模,采用幂级数法分别在脉冲推力和常值推力作用两种情况下对系统进行了近似求解。通过对系统解的变换以及对系统状态的重构,给出了大椭圆轨道上的三种交会制导律。脉冲推力作用假设下的脉冲制导类似近圆轨道的Hill制导方法。常值推力作用假设下的全状态反馈制导律则在交会制导、相对悬停和循迹绕飞控制的过程中实现了对相对位置和相对速度的同步控制。通过构造新的系统状态,改进的变系数全状态反馈制导律提高了相对速度的制导精度,降低了相对制导过程中的最大轨控加速度。三种制导律的制导效果通过数学仿真进行了校验和比较,文中给出的方法实现了椭圆轨道上相对交会制导、悬停保持和循迹绕飞控制。     

小推力速度闭环交会制导律设计

在空间飞行器交会对接的近程导引阶段,以小推力喷气发动机作为执行机构,同时完成轨道控制和姿态稳定.基于C-W方程提出了速度闭环交会制导方案,依据转动惯量是否为对角占优阵,姿态与轨道协调控制采用分时控制方案或同时控制方案,轨控推力和姿控力矩指令由同一套小推力发动机来执行.分析了此方案的制导误差,并提出了分步多推力弧段的小推力交会制导方法以提高制导精度.基于MATLAB/Simulink仿真平台实现了两个空间飞行器的分步多推力弧段近程交会导引仿真,仿真结果证实了所采用方法的有效性.     

方位角约束自主交会变结构制导律设计

针对空间交会视线相对运动动力学模型具有时变非线性和参数不确定性的特点,提出了一种基于非线性滑动模态的自主交会变结构制导算法。通过将视线运动模型划分为横向和纵向运动模型,分别设计了相应的非线性滑动模态。横向滑动模态是一种由视线角速率、视线角和时间构成的非线性函数,而纵向滑动模态则是由距离、速率以及时间构成的非线性函数。然后,根据Lyapunov稳定性理论分别推导了横向和纵向自主交会变结构制导规律。横向制导实现了带有末端方位角约束的自主接近;纵向制导保证了软交会所要求的距离和速度协同控制。仿真结果表明,设计的方法在只使用相对信息量的前提下克服了交会模型的耦合非线性和参数不确定性,并能适用于不同高度圆轨道和椭圆轨道上的V-bar和R-bar自主交会任务。     

交会角对制导性能的影响

对于拦截高速、大机动目标的制导律而言,需用过载以及拦截弹过载能力直接影响 制导性能。对于任意给定的特定制导律,需用过载不但直接与目标机动加速度有关,而且与 弹目相对运动关系有关。以拦截过程基本准则为基础,通过对弹目相对运动学分析和推导, 给出了不同弹目速度比情况下交会角对制导律需用过载的影响关系。研究结果对于拦截弹的 弹道设计具有指导意义,结果表明：当弹目速度比大于1时,目标机动对制导律需用过载要 求随交会角增加而减小;当弹目速度比小于1时,目标机动对制导律需用过载要求随交会角 增加而增大。〖JP〗     

载人机动装置救援轨迹优化设计

本文研究宇航员携带舱外机动装置（ＭＭＵ）进行舱外飞行，营救脱离空间站的目标，随后返回空间站的Ｈｉｌｌ制导方法。根据最小燃料指标，精度要求和时间约束，优化设计ＭＭＵ出舱营救脱离空间站的宇航员或其它装置的飞行轨迹。求出１７种典型情况下的最小燃料解，提出了救援轨迹设计准则。本文分析了ＭＭＵ交会目标过程中，导航和控制误差对Ｈｉｌｌ制导瞄准误差的影响，提出了用多脉冲Ｈｉｌｌ制导按标称最优轨迹飞行的设计方案，     

基于龙格库塔法的预测闭路制导方法研究

交会飞行器是要求以一定速度与运动目标交会的飞行器.其运载器的制导任务就是将交会飞行器运送到空间某一特定区域并使之达到期望速度矢量.但是由于干扰力的存在,以及实际物理系统对目标导引量的时延性以及各种误差的影响将造成很大的脱靶量.为此,本文给出了预测闭路制导方法.根据运载器的实时飞行状态和目标的运行参数,通过龙格库塔法对命中点进行预测,在此基础上完成需要速度的确定.经数学仿真验证本文的方法具有很高的制导精度.保证了交会飞行器和所要攻击的目标在同一时刻到达同一位置.     

美国航天器交会技术研究

美国交会对接技术的发展可分为三个阶段：＂双子座＂与＂阿波罗＂飞船,航天飞机,以及后航天飞机时代的项目。自主交会技术的发展,首先基于多种制导和导航敏感器的研发,特别是用于最终逼近段的激光敏感器。制导、导航与控制系统的冗余,以及故障检测与隔离的方法,在轨迹安全性中起重要作用。文章研究美国自主交会方案,包括＂双子座＂,＂阿波...     

基于二阶非线性相对运动方程的寻的段交会制导研究

利用二阶非线性相对运动方程研究空间交会寻的段新的制导算法.针时传统C-W制导算法精度较低问题,提出了利用二阶非线性相对运动方程迭代修正C-W二脉冲解的制导算法.仿真结果表明,所提出的修正算法制导精度比C-W制导算法的精度高,而且计算简单,收敛速度快,具有一定的工程实用价值.     

一种基于深度强化学习的机动博弈制导律设计方法

针对高速机动飞行器常用的程序化机动突防方式适应性不强、突防效果不稳定的问题,提出了一种基于深度强化学习算法的机动博弈制导方法。该方法以增大交会摆脱量为任务目标,采用深度神经网络拟合飞行器的制导律,应用强化学习方法训练网络参数,得到一种以突防拦截双方的位置和速度为输入、以飞行器的需用过载为输出的智能机动博弈制导律。数学仿真验证结果表明,在连续的状态空间和动作空间中,飞行器能根据当前态势自主选择合适的制导指令。相比传统突防方式,该制导律显著提升了交会摆脱量,且突防效果更稳定。     

非合作目标自主交会对接的椭圆蔓叶线势函数制导

针对非合作式航天器自主交会对接任务的安全性要求,提出了一种基于椭圆蔓叶线的人工势函数制导方法。首先根据视线坐标系建立了相对动力学方程与状态方程。进而应用人工势函数制导方法解决了非合作目标航天器自主交会对接与静态障碍物躲避问题,并且把势函数方法与椭圆蔓叶线函数相结合,解决了追踪航天器在接近目标航天器时运行在安全走廊中的安全性要求。应用Lyapunov稳定性理论证明了在所提出的制导方法控制下系统的稳定性。最后,用精确的数学模型进行了计算机数值仿真,验证了所提出的制导控制方法的正确性和有效性。
     

非合作自主交会对接动态障碍物躲避模糊制导

提出了一种基于Gaussian势函数的模糊制导方法,完成了非合作式航天器自主交会对接及相关任务.首先根据视线坐标系建立了系统相对运动状态方程.进而应用模糊控制方法完成了非合作目标飞行器的自主交会对接任务,同时应用基于Gaussian势函数的模糊制导方法解决了动态障碍物的躲避问题.随后研究讨论了两种不同情形下动态障碍物的躲避.最后,用精确的数学模型进行了数值仿真,验证了制导方法应用于所研究问题的正确性和有效性.     

航天飞机与空间站的交会对接控制

本文从航天高技术总体发展目标和途径出发,分析了开发我国航天飞机与空间站交会对接技术的重要性和紧迫性,并根据我国实际情况,提出我国空间交会对接技术发展的指导思想、原则和技术要求。文中探讨了如何进行交会对接控制的可行性论证,概要描述了交会对接的基本飞行过程和控制系统,最后着重介绍了交会对接的制导、导航和控制的基本问题及解决办法。