带有入轨姿态约束的迭代制导算法及应用研究

针对需要满足一定入轨姿态约束的发射任务,研究一种带有入轨姿态角约束的迭代制导算法在运载火箭中的应用。该制导算法在传统迭代制导算法的基础上,将控制姿态角的最优解析表达式,通过二阶近似,展开为与时间相关的二次函数,可以同时满足入轨点速度、位置和姿态角约束。阐述了迭代制导的基本原理,给出带有姿态角约束的迭代制导算法的推导公式。在有相同姿态角约束的条件下,该算法能够保证入轨精度,与传统迭代制导算法相当,且对姿态角约束有较好的控制效果,运载能力损失较少。仿真结果表明,该算法对故障工况及不同姿态角约束具有一定的适应能力。     

一种运载火箭减载控制工程方法

为降低运载火箭飞行中的气动载荷，在改进弹道模型的基础上，提出了一种用实时补偿对实时气流攻角和侧滑进行反馈控制的方法。研究了工程上用实时视加速度与姿态角偏差近似获得实时攻角和侧滑角的方法，并给出了控制模型。仿真结果表明，该方法能有效降低火箭的qα值，且对关机点参数的影响不大。     

考虑终端姿态约束的自适应迭代制导方法

为了解决采用经典迭代制导方法时运载火箭主动段终端姿态散布较大的问题,提出一种考虑终端姿态约束的自适应迭代制导方法。该方法将末级主动段分为迭代制导段和姿态快速调整段;在迭代制导段,通过对其终端姿态和姿态快速调整段的估计,自适应调整其制导目标状态;在主动段结束前进入姿态快速调整段,将火箭姿态快速调整至期望姿态。仿真结果表明该方法能同时满足轨道参数约束和终端姿态约束,且仅增加少量的推进剂消耗。     

带偏心飞轮的弹性结构卫星的姿态运动

本文考虑结构弹性,讨论控制飞轮的偏心对带太阳翼的三轴稳定地球同步卫星姿态运动的影响。使用Kane提出的新方法,建立系统的动力学方程组。提出一种能使方程组中姿态角变量与弹性形变量相分离的近似方法,以简化计算并有利于考虑弹性结构的阻尼效应。导出飞轮偏心引起的姿态角强迫振动的解析表达式,并进行数值计算给出各姿态角的幅频响应曲线。     

一种新的基于姿态四元数匹配的传递对准方法

设计了一种新的姿态四元数匹配传递对准方法,并以载机姿态四元数与弹体姿态四元数的四元数乘积作为量测量,推导了姿态四元数匹配量测方程。通过理论分析,得出了载机平台失准角、弹体平台失准角、弹体安装误差角和机翼颤振变形角为小量的情况下,这些量与量测量之间的关系。推导了传统的姿态角匹配传递对准方法量测方程,与之相比,姿态四元数匹配量测方法明显降低了计算量,并分别对两种姿态匹配方法进行了仿真,仿真结果表明：新的姿态四元数匹配方法与传统姿态匹配传递对准方法具有相同的精度。     

基于星敏感器和GPS伪距差分的相对状态确定

针对双星编队飞行中的相对导航问题,提出了一种基于星敏感器和GPS伪距差分的相对状态确定方法。首先给出了相对轨道和相对姿态动力学方程,选取相对姿态基准坐标系,然后分别建立了星敏感器和GPS伪距差分的观测方程,运用Unscented卡尔曼滤波方法(UKF)设计了双星编队相对状态确定的UKF滤波器。利用一个仿真实例说明了该方法的可行性和有效性。     

基于磁悬浮动量轮微框架能力的卫星滚动—偏航姿态稳定控制研究

研究基于磁悬浮动量轮的微框架能力进行卫星的滚动-偏航姿态稳定控制问题。在考虑卫星 轨道角速度的条件下,建立了磁悬浮动量轮转子和卫星姿态动力学方程,设计了一种不使用 偏航姿态敏感器的卫星滚动-偏航姿态控制器。该控制器由内、外两个控制回路组成,其中 ：外环控制回路根据滚动姿态敏感器输出的卫星姿态角信息产生转子外框角-内框角的参考 值;内环控制回路控制转子外框角-内框角的稳定,并通过控制转子外框角-内框角跟随外环 回路给定的参考值变化实现动量轮转子角动量方向的变化,与卫星进行角动量交换。对所设 计的控制器进行了稳定性分析,通过仿真进一步验证了其有效性,在给定扰动和不使用偏航 敏感器的条件下,偏航角的精度和稳定度分别优于0.08°和0.0001°／s。
     

全向发射状态下运载火箭变结构自适应滑模控制

针对运载火箭全向发射后,系统通道间存在交连耦合问题,提出了基于解耦的变结构自适应滑模控制方法。首先建立了运载火箭全向发射姿态动力学模型;其次推导了一种工程上实用的姿态角预补偿解耦控制方法,并重点分析了残余耦合对姿控系统的影响;最后针对解耦后系统的残余耦合和火箭结构干扰,提出了变结构自适应滑模控制方法。利用Lyapunov稳定性理论,证明了控制系统的全局渐近稳定性。仿真校验了本文提出的控制方法能够实现火箭在全向发射情况下的姿态稳定。     

地球临边观测卫星的姿态角仿真分析方法

针对地球临边观测卫星的姿态角计算问题,给出一种应用STK软件进行仿真的分析方法。利用STK软件的连接接口联立STK软件,创建仿真场景;在二体模型下,求得临边观测卫星姿态角的解析解,并作为下一步精确迭代求解的初值;在WGS84地球模型下,调用STK软件中的高精度轨道外推模型(HPOP),并结合推导的迭代公式,求得卫星姿态的高精度数值解。以20km和100km的临边观测为例,仿真计算姿态角,并将计算结果与二体模型方法的进行对比。结果表明,文章提出的方法可有效解决地球临边观测卫星的姿态角计算问题,且具有收敛迅速和计算精度高的优势。     

基于低成本陀螺和倾角仪的姿态估计

针对动中通测控系统中低成本陀螺和倾角仪的姿态估计和陀螺误差校正问题,提出一种利用UKF（Uncented Kalman Filter）滤波器对载体姿态角进行估计,然后利用互补滤波器对陀螺漂移进行估计的算法。该算法通过设计三维完全可观测UKF滤波方程和陀螺误差校正模型对姿态角和陀螺漂移分别进行估计,有效避免了利用卡尔曼滤波进行姿态估计和陀螺漂移误差估计时由于误差模型不准确而产生的发散问题,同时降低了滤波器维数。试验中姿态角估计误差在1°以内,x轴陀螺漂移估计误差为0.0148°/s,y轴陀螺漂移估计误差为0.0017°/s,试验结果表明该算法能有效提高姿态角估计和陀螺漂移估计的精度。     

基于变质心控制方式的再入弹头控制模式研究

弹头变质心机动控制是通过移动弹头的质心位置,利用气动配平力矩改变弹头的飞行姿态和攻角,从而可实现弹头机动控制。本文在推导变质心弹头的动力学方程的基础上,通过分析其方程组的特点并结合弹头再入过程中的气动、速度等参数变化规律,给出了变质心弹头再入过程中宜采用的控制模式,为变质心弹头控制律的设计提供了理论参考。     

弹性高超声速飞行器建模及精细姿态控制

为保证超燃冲压发动机的良好进气,需要对高超声速飞行器进行精细姿态控制,但弹性振动问题极大影响其精细姿态控制精度。以高超声速飞行器的纵向通道为例,分析弹性振动问题对飞行控制系统的影响,建立面向控制的弹性高超声速飞行器数学模型,考虑气动参数和模态参数的大范围摄动,采用主动控制策略,基于鲁棒H∞理论和LQR理论设计精细姿态控制系统。大量仿真表明：在考虑测量噪声、舵机非线性、参数大范围摄动的情况下,控制系统能够很好地跟踪刚体攻角,抑制弹性攻角,并保证进气口当地攻角±0.4度的控制精度,满足高超声速飞行器精细姿态控制的要求。     

吸气式高超声速飞行器机体推进控制一体化建模方法研究

针对吸气式高超声速飞行器气动力、气动热、结构、推进、飞行轨迹以及姿态之间的多物理场强耦合给飞行控制系统设计带来的问题,提出一种适用于此类飞行器机体/推进/控制一体化设计的建模方法.首先,依据类乘波体高超声速飞行器基本外形参数体系设计飞行器的三维外形;然后在飞行器流场分析的基础上,给出飞行控制系统需要满足的姿态约束条件,并采用一套完整的工程预测方法建立了适合进行飞行控制一体化设计的气动力/推力耦合模型;最后基于拉格朗日方程推导了一体化弹性体动力学模型.模型算例验证了该方法在吸气式高超声速飞行器机体/推进/控制一体化设计中的可行性.     

质量矩拦截弹的模糊滑模姿态控制系统设计

质量矩控制是一种全新的飞行控制方法，与广泛应用的空气动力控制相比，可以避免飞行器在超高马赫数飞行时舵面的气动加热问题，而且可以提高飞行器的机动性和敏捷性。以所建立的质量矩拦截弹数学模型为基础，通过对模型合理的简化，得到一个耦合的非线性动力学系统，考虑到系统的鲁棒性要求和三个滑块的协调控制问题，利用滑模控制设计了拦截弹大机动飞行时的姿态控制系统，同时采用模糊逻辑算法抑制系统的抖振现象。仿真结果表明系统性能指标满足设计要求，只需微调滑块位置，即可以实现拦截弹的姿态控制。     

试验运载器姿控总体优化设计技术

试验运载器在姿控动力系统空间布置紧张、控制力臂有限的情况下，要实现初始起控阶段大初始姿态偏差及气动干扰条件下的稳定控制，以及有效载荷释放阶段的多通道多次连续大角度调姿控制，给姿控系统的设计造成了困难。为此，通过鸭式直接力控制方案设计、多通道连续大角度调姿方案设计等技术，设计出了满足任务要求且性能良好的姿控总体方案。     

发动机喷管对火箭气动静稳定及控制特性影响研究

发动机喷管外露于火箭尾部是常见情形,但在火箭气动设计过程中却经常不予考虑。利用数值计算方法,研究喷管外露部分对火箭气动静稳定及控制特性的影响。计算结果表明:在超声速Ma=2~12、攻角30°范围内,外露喷管对火箭气动静稳定性有1%~2%的增加,且气动控制效率明显,喷管±3°摆角产生的气动控制力矩约为头部空气舵±20°摆角的1~2倍。因此,对于确实存在喷管外露的火箭,在气动特性设计过程中需充分考虑喷管对静稳定性的影响,甚至可以考虑将喷管作为气动控制面,用于火箭无动力滑行段的姿态控制。     

远程火箭弹卷弧翼气动载荷工程计算方法

根据卷弧翼气动特性，引入各种干扰因素，利用刚体弹道方程计算出卷弧翼的最大气动载荷。经实例验证表明，该方法的计算结果与飞行试验结果是符合的。     

Disturbance rejection in space applications: Problems and solutions

Navigation, control and guidance of the propulsive phase of planetary landing, e.g. on Mars (or the Moon), with a soft landing being the only target, are driven by Inertial Measurement Units and a radar altimeter/velocimeter. Their measurements are affected by bias and scale errors. The latter ones are aggravated by the attitude navigation error as it accumulates during the ballistic (and aerodynamic) flight after orbiter separation and couples for most of the descent trajectory with the vehicle axis inclination from the local vertical direction. By complementing the center-of-mass dynamics with appropriate disturbance state equations driven by noise vectors and estimating the noise from the model error (plant measurements minus model output), scale errors and bias can be retrieved in real time in the form of disturbance state variables. Although a similar complement is adopted in the standard navigation algorithms, it takes the form of an output disturbance, which may lead to unobservability. In this paper instead, the disturbance complement is designed to be fully observable, which may require that the derivatives of smooth systematic errors be pushed up to the command channel (a form of back-stepping). It is then viable, unlike standard navigation, to eliminate them from position and velocity tracking errors through disturbance rejection, under appropriate convergence conditions and sensor layout. It will, however, be demonstrated in this paper that the same result cannot be achieved under pure feedback control. Since constant errors (bias) become zero through back-stepping, a well known fact derives: bias can only be eliminated by disposing of supplementary sensors.To further enlighten and solve the question of bias rejection, a further case study is treated. The attitude control of drag-free satellites is considered, where fine accelerometers allow for the rejection of wide-band aerodynamic torques (think of low-Earth orbit spacecrafts) at the price of attitude divergence because of accelerometer bias and drift. The spacecraft attitude can be made bounded and accurate, if bias and drift are modeled as angular accelerations, affecting the attitude. They are estimated by attitude sensors like star trackers and then are rejected by the attitude control. The results in the soft landing and drag free case studies are illustrated by simulated runs and Monte Carlo trials.     

整星零动量小卫星偏置飞行姿态解耦控制

研究了采用反作用飞轮为执行机构的整星零动量卫星绕Ｘ轴大角度偏置飞行模式的姿态解耦控制问题。首先给出卫星姿态运动学和动力学模型，然后在控制作用中引入非线性项对姿态动力学模型线性化，进一步对线性模型进行状态反馈解耦和极点配置。最后，给出了数学仿真算例和仿真结果。     

Stability of motion of a space vehicle under constantly acting disturbances

The attitude stability of an Earth-orbiting satellite experiencing aerodynamic torque is studied. This is accomplished by applying the theory of total stability (or, stability under constantly acting disturbances) to the equations of motion. The satellite is gravity-gradient stabilized and a damping torque is incorporated. The aerodynamic torque results from the presence of two flat panels attached to the cylindrical body of the vehicle. This perturbing torque is treated as an additive disturbance in Euler's equations of motion. A Lyapunov function is constructed and then used in an appropriate theorem on stability under constantly acting disturbances. Explicit expressions are thereby found for bounds on a hypothetical initial condition (a rotation from the Earth-pointing equilibrium) and on the aerodynamic torque, so that if these disturbances are less than their respective bounds then the resulting attitude motion of the satellite will not exceed a pre-assigned value. These bounds depend on that pre-assigned value, and on the physical parameters of the satellite. The design implications of these bounds are then discussed.