交会对接任务两目标协同控制技术研究

在载人航天工程交会对接任务阶段,北京航天飞行控制中心首次实现了真正意义上的两目标协同控制,完成了协同体系构建、协同模式研究、协同技术攻关、协同方案设计、协同系统研制的完整技术演进过程。本文主要目标是对交会对接任务北京中心的两目标协同控制技术研究成果进行总结,主要涉及在交会对接任务协同控制技术体系构建、两目标关联计划工作模式、两目标注入安排协同设计与实施的经验与不足,通过对协同系统在交会对接任务中的实战应用情况,分析交会对接任务在协同自动化手段方面的成果和后续改进完善方向,为后续空间站任务设计和实现更复杂的多目标协同控制体系积累经验和教训。     

交会对接任务轨道控制规划设计与实施简

针对我国空间交会对接轨道控制规划技术,研究了轨道交会优化、应急轨道控制、安全轨道防护和发射窗口规划等一系列关键问题.设计了全寿命周期交会对接任务轨道控制规划方案,从目标飞行器发射到飞船返回,对轨道控制进行了全程协同、全局优化.设计了相位、高度、圆化度多目标融合控制算法;建立了规划变量对远距离导引终点六自由度的独立控制方程;设计了标称整体规划与动态逐级规划相结合的多模式规划策略;基于导引终点整体调整和局部调整的方式,实现了正常和应急条件下天地导引交接点的动态规划;提出了基于飞行控制过程建模的导引终点精度分析方法,确定了地面导引向自主导引切换的关键判据;建立了多约束交会对接发射窗口模型,构建了多任务多年度发射窗口集合.交会对接轨道控制规划技术成功应用于神舟八号、神舟九号和神舟十号交会对接任务.     

交会对接任务轨道控制规划设计与实施

针对我国空间交会对接轨道控制规划技术,研究了轨道交会优化、应急轨道控制、安全轨道防护和发射窗口规划等一系列关键问题。设计了全寿命周期交会对接任务轨道控制规划方案,从目标飞行器发射到飞船返回,对轨道控制进行了全程协同、全局优化。设计了相位、高度、圆化度多目标融合控制算法;建立了规划变量对远距离导引终点六自由度的独立控制方程;设计了标称整体规划与动态逐级规划相结合的多模式规划策略;基于导引终点整体调整和局部调整的方式,实现了正常和应急条件下天地导引交接点的动态规划;提出了基于飞行控制过程建模的导引终点精度分析方法,确定了地面导引向自主导引切换的关键判据;建立了多约束交会对接发射窗口模型,构建了多任务多年度发射窗口集合。交会对接轨道控制规划技术成功应用于神舟八号、神舟九号和神舟十号交会对接任务。     

我国中继卫星系统在交会对接任务中的应用

我国中继卫星系统在交会对接任务中得到了成功应用,显著提升了测控通信覆盖率,充分体现了中继卫星系统在交会对接任务测控通信中发挥的重要作用.结合中继卫星系统特点,分析交会对接任务对中继卫星系统的任务需求;探讨了中继卫星捕获跟踪用户目标、对用户目标测定轨、着陆场直升机缝隙通信等关键技术;最后总结了中继卫星系统抗雨衰影响、多目标支持能力、应急支持能力等方面的经验做法,并提出了后续改进和完善的建议.     

交会对接任务故障与应急仿真系统设计与实现简

为了模拟交会对接任务多目标情况下的航天测控故障与应急过程,建立系统级的故障仿真和综合性的应急处置效能评估环境,采用分布式、支持互操作的高层体系结构,研究了故障SPR柔性描述技术,设计了基于脚本引擎驱动的故障协同演练控制方法,实现了故障建模、存储、提取和组装全过程的规范化,实现了故障的操作控制、效果监视和处置评估的一体化.解决了我国重大空间工程地面故障仿真、应急过程演练和人员训练的技术难题,经受了3次交会对接任务的重大工程应用考验.     

空间交会对接多体制接收机设计与实现简

空间交会对接时,空空通信系统需在两个航天器之间建立双向通信链路,完成两者间的信息交换.在载人航天交会对接任务中,空空通信系统担负交会对接段以及撤离段航天器间的双向链路数据传输任务.针对不同的任务模式、分析不同信号的解调模型和算法特点,基于软件无线电技术确定本系统的全数字化解调算法和硬件平台设计方案,实现过程运用复用/优化设计思路,节省了逻辑资源、降低了算法复杂度.对关键指标的测试表明,该设计可满足空空通信系统的指标需求.     

交会对接任务天基双目标测控通信设计

针对交会对接任务对测控通信提出的高覆盖率和双目标测控等需求的问题,分析2颗中继卫星能够提供的覆盖率,设计双目标测控工作模式以及天地协同机制,计算中继链路的性能,分析表明,天基测控可提供约72%的测控覆盖率,能够支持双目标测控,链路余量满足要求;统计了任务中关键段落的测控通信工作情况,分析结果和实际任务情况验证了天基测控在交会对接任务测控通信中的重要作用;最后提出后续任务改进和完善的建议。     

交会对接任务故障与应急仿真系统设计与实现

为了模拟交会对接任务多目标情况下的航天测控故障与应急过程,建立系统级的故障仿真和综合性的应急处置效能评估环境,采用分布式、支持互操作的高层体系结构,研究了故障SPR柔性描述技术,设计了基于脚本引擎驱动的故障协同演练控制方法,实现了故障建模、存储、提取和组装全过程的规范化,实现了故障的操作控制、效果监视和处置评估的一体化。解决了我国重大空间工程地面故障仿真、应急过程演练和人员训练的技术难题,经受了3次交会对接任务的重大工程应用考验。     

空间交会对接多体制接收机设计与实现

空间交会对接时,空空通信系统需在两个航天器之间建立双向通信链路,完成两者间的信息交换。在载人航天交会对接任务中,空空通信系统担负交会对接段以及撤离段航天器间的双向链路数据传输任务。针对不同的任务模式、分析不同信号的解调模型和算法特点,基于软件无线电技术确定本系统的全数字化解调算法和硬件平台设计方案,实现过程运用复用/优化设计思路,节省了逻辑资源、降低了算法复杂度。对关键指标的测试表明,该设计可满足空空通信系统的指标需求。     

货运飞船遥操作交会对接仿真试验系统初步设计与仿真分析

以无人货运飞船与空间站交会对接为背景,设计并构建了一套货运飞船遥操作交会对接仿真系统,用于模拟空间站内航天员遥操作货运飞船进行交会对接,重点是各种时延条件下的仿真试验及评估分析.试验结果表明:在所设定的时延范围内,燃料消耗和任务用时受到时延大小的影响,而对接成功率和安全率则不受影响,即在TV图像和测量数据等辅助下,可完成航天员遥操作货运飞船与空间站的交会对接任务.     

载人登月着陆器奔月窗口搜索方法

对环月轨道共面交会的载人登月任务中,着陆器(LM)奔月零窗口与轨道参数精确快速设计方法进行了研究。任务采用人货分离奔月模式,着陆器于载人飞船到达环月轨道前抵达环月共面交会轨道,着陆器近月点一次共面减速完成近月制动。提出一种三层快速精确奔月窗口搜索方法:第一层采用地心二体轨道理论解析计算月窗口及奔月轨道参数初值,作为正确性基本参考;第二层采用改进的双二体解析动力学模型求解月窗口内奔月轨道参数变化规律;第三层采用高精度轨道动力学模型和SQP_Snopt优化求解奔月零窗口及轨道参数精确解。仿真结果表明,本文提出的三层逐级奔月窗口搜索方法能快速精确求解载人登月任务中着陆器奔月窗口及精确轨道参数,也揭示了影响着陆器奔月窗口的主次因素和规律,为中国未来载人登月工程提供参考。     

自主多无人机的分散化协同控制

协同前提是无人机(UAV)平台间的通信和信息共享,无人机平台之间信息和计算是高度分布的,无人机平台的运动以及通信拓扑的变化,使得集中式协调控制结构很难实现。以最小通信量为基础的分散协同控制具有可扩展性、异构性和动态可重构性等特点,可靠性和鲁棒性较好。针对多无人机平台分散化协同的特点和要求,建立了集中和分散相结合的多无人机平台协同控制系统结构,集中式任务管理系统主要完成目标分配、通信管理和编队管理功能,分散式协同部分主要实现局部任务规划、协调策略及协调控制等功能。分别以多机协同目标跟踪、多机和多编队一致性协调、多机协同编队控制与重构等多无人机平台分散化协同控制技术为应用对象,探讨了分散化协调机制、策略、控制及其与信息之间关系。给出了部分算法的仿真结果。     

多无人机协同航迹规划技术研究

多无人机协同航迹规划是多无人机协同控制的重要组成部分。多无人机协同航迹规划能得到满足安全性、协同性和任务要求的较优航迹,这对提高无人机系统性能有重要的意义。介绍了多无人机协同航迹规划的问题描述和求解结构,总结了在协同规划问题中的约束条件和航迹协调方法,着重阐述了几种在多无人机编队中常用的控制方法。在此基础上,对未来可能的研究方向进行了展望。     

基于比例导引的空间交会寻的段飞行任务设计

比例导引涉及的参数测量和控制手段简便,常被用作空间拦截的制导算法。基于该制导算法,在相对运动参数测量条件较弱的情况下,对空间交会对接寻的段飞行任务进行了设计。采用C-W制导算法,对寻的段飞行任务的标称轨道进行了设计。推导了基于固定推力发动机的比例导引轨道控制模型,并利用该模型对寻的段轨道进行了控制。通过仿真计算验证了所给出的比例导引模型的有效性。     

交会对接成像敏感器的光点筛选改进

首先介绍了交会对接成像敏感器图像光点匹配算法.基于对在轨图像光点动态特性的研究,为解决交会对接过程中目标误识别、误匹配,以及匹配、适配过程严重耗时的缺陷,提出了光点形状筛选和光点大小分组2套匹配改进算法,并设计了基于光点形状大小动态特性改进的光点匹配算法.该方法以交会对接走廊中不同相对距离时目标光斑大小的最大差别为依据,针对每一个光点,仅将光斑大小与其在同一合理范围内的其他光点一起进行目标匹配.实验结果表明,该方法杜绝误匹配等异常错误的同时,极大地提高了运算效率.该方法可以成为在轨交会对接末段制导实时测算的重要保障,目前已在众多航天器在轨交会对接、空间交会逼近试验中使用.     

交会对接视景仿真系统研究

实时视景仿真是交会对接技术仿真研究的一个重要方面和有效策略。本文基于软件平台MultiGenCreator和Vega设计开发了交会对接视景仿真系统。提出了系统的软硬件环境要求,设计了软件系统的框架以及几何和行为模块组成;探讨了利用Vega的可视化图形界面Lynx和应用编程的接口API开发RVD视景仿真的方法,给出了实现对接结构控制和视点漫游等功能的关键技术。     

天文光谱测速导航技术与应用思考

随着我国航天技术的发展,航天器对导航系统的精度、自主性、实时性等综合性能需求越来越高。天文光谱测速导航作为近年来提出的新型自主导航技术,具有直接获取航天器速度信息且实时性好、测速精度高等特点,具有广阔的应用前景。在梳理近年来天文光谱测速导航研究进展的基础上,结合天文光谱测速导航的特点,深入思考并提出了若干天文光谱测速导航技术应用组合。基于当前航天任务的需求和研究的难点,结合国内外技术趋势和我国实际工程需求,指出了天文光谱测速导航技术未来的重点研究方向及内容。天文光谱测速导航为我国航天探测工程任务导航提供了一条崭新的技术途径,对天文光谱测速导航技术的持续研究将有力促进我国航天领域导航技术的发展,提升天文导航理论研究能力和工程研制技术水平。     

Coordinated Continual Planning Methods for Cooperating Rovers

Eight evaluation metrics are used to compare and contrast three coordination schemes for a system that continuously plans to control collections of rovers (or spacecraft) using collective mission goals instead of goals or command sequences for each spacecraft. These schemes use a central coordinator to either: 1) micromanage rovers one activity at a time; 2) assign mission goals to rovers; or 3) arbitrate mission goal auctions among rovers. A self-commanding collection of rovers would autonomously coordinate itself to satisfy high-level science and engineering goals in a changing partially understood environment - making the operation of tens or even a hundred spacecraft feasible     

基于合同机制的多UCAV分布式协同任务控制

 针对集中式控制的不足,采用基于合同机制的分布式控制方法对多无人作战飞机（UCAV）协同任务控制问题开展研究。设计了有限中央控制下的分布式控制体系结构,以支持UCAV在任务控制站的监控下实现不同级别上的自治。在通过合同网协议实现动态任务分配的基础上,建立条件合同机制对任务执行过程进行协调,提高了多UCAV协同作战的效能。采用时间约束网络对UCAV的任务计划进行量化表达,保证了多UCAV战术行为配合的准确实现。仿真结果验证了方法的有效性。