一种基于B平面参数的深空天体接近段自主轨道控制方法

针对深空探测接近目标天体段轨道,提出了以B平面参数为制导目标参数的自主轨道控制方法.由自主导航系统确定探测器的当前位置和速度,通过精确轨道动力学积分外推到目标天体的近心点得到B平面误差,利用线性制导公式计算出修正轨道需要的速度增量,并用误差椭圆来统计修正后B平面误差.以火星探测为例进行蒙特卡罗仿真,验证了该方法的正确性.     

基于分段瞄准点预报显式制导的月地返回轨道中途修正研究

显式制导法算法简单,计算快速,使用灵活,实用性强,可运用于月地返回轨道的中途修正研究.基于瞄准点的显式制导法在得到瞄准点预报的前提下,利用二体模型计算修正点到瞄准点所需的修正速度作为多体模型下修正点到标称落点的修正速度.根据此方法,采用月球段及地球段分段进行中途修正的策略,给出了基于分段瞄准点预报显式制导的月地返回轨道中途修正方案.最后,算例仿真及蒙特卡洛仿真验证了该方案的适用性,得出了该方案的优势.     

基于显式制导的月地返回轨道中途修正研究

月地返回轨道存在各种摄动误差,终端约束复杂,有必要对其进行中途修正研究。显式制导法通过二体轨道与精确轨道之间的差别进行多次迭代求解给定时刻所需的修正速度。文章利用显式制导法,采用月球段及地球段分段进行中途修正的策略,给出了基于分段落点预报显式制导的月地返回轨道中途修正方案。该方案无需计算雅克比矩阵,算法简单、计算快速、实用性强,能满足再入点参数要求。算例仿真与蒙特卡洛仿真验证了该方案的适用性。     

姿态角幅值约束下的太阳帆Lissajous轨道保持控制

太阳帆航天器以两姿态角作为轨道控制输入时, 其轨道动力学方程具有非仿射非线性特性. 通过人工平动点处线性化获得的线性系统可完成太阳帆航天器轨道保持控制器的分析与设计. 由于线性近似模型为有误差模型, 存在近似有效范围约束, 表现为轨道高度约束和姿态角幅值约束. 本文研究了姿态角幅值约束对线性近似模型有效性的影响, 通过计算给出满足近似误差要求的姿态角幅值约束. 当控制输入存在幅值约束时, 控制器轨道修正能力受到束缚. 通过研究姿态角幅值约束下的最大允许入轨误差, 设计了最大允许入轨误差下线性二次型调节器(LQR)用于轨道保持控制, 并将控制器应用于太阳帆日地三体系统非线性模型中, 实现了日地人工L₁点Lissajous轨道最大允许入轨误差的控制收敛和良好精度下的轨道保持控制.      

基于最优化问题的混合再入制导方法

在深入研究机动再入飞行器标准轨道和预测制导方法的基础上,针对标准轨道和预测制导相结合的制导方法,分析了由预测制导指令延迟引起的误差,提出了误差补偿策略.根据最优化理论,设计了相关性能指标函数,提出新的预测制导算法.并结合标准轨道法,通过对有限几个特征点位置上引入预测制导,形成了一种基于最优化问题的混合制导方法.有效减小了预测制导指令的解算时间,进一步降低了落点误差.仿真结果表明,该方法既具有较强的抗干扰能力和较高的制导精度,又具有一定的工程实用价值.     

深空探测转移轨道自主中途修正方法研究

针对深空转移轨道,提出以B平面参数为终端参数,采用脉冲控制和线性制导的自主中途修正方法.由自主导航系统定期确定探测器的当前位置和速度,之后利用精确动力学积分递推状态至B平面,得到打靶误差,若误差超出目标精度范围又在自主修正系统修正能力范围内,则立即利用以B平面参数为终端参数的线性制导公式并结合牛顿迭代计算出修正轨道的速度增量.利用中心差分公式计算终端参数对控制参数的敏感矩阵.蒙特卡罗仿真表明,在小偏差前提下该方法能够达到制导目标.     

月球精确软着陆制导轨迹在轨鲁棒跟踪

为实现在月球表面期望的着陆点进行精确软着陆(PPL),在开环制导规划出的最优标称轨迹基础上,考虑动力下降过程中的干扰和不确定性,对在轨闭环轨迹跟踪制导方法进行研究.针对月球PPL三维球体非线性轨道动力学模型,充分考虑自主制导的鲁棒性、实时性要求,采用动态平面控制技术的思想,解决退步法存在的"计算复杂性膨胀"问题,并证明了闭环系统的稳定性.仿真算例表明,该方法不仅算法简单,过渡过程能够实现快速跟踪,而且能够保证稳态跟踪误差在预先给定的范围之内且可以自由调节.     

一种适用于火星气动捕获的自适应预测制导算法

火星探测捕获制动需要的速度增量大,制动消耗燃料多,因此针对火星大气密度低、大气不确定性强等问题,提出一种基于解析及自适应预测校正结合的分段式气动捕获制导算法,实现无人钝头体飞行器由双曲线接近段轨道到目标停泊椭圆轨道的轨道转移.考虑到多约束条件,将制导算法分为高度数值预测校正 高度保持 入轨控制3个阶段,其中第三阶段使用基于一阶特征模型的全系自适应预测校正算法.该方法利用施加控制量的时间与最终半长轴改变量的关系形成动态输入变换,以抵消该系统一阶特征模型输入输出间巨大的动态增益.仿真结果表明,该算法即可满足一定的多约束条件,同时能够克服较强的初始条件不确定性和环境不确定性,具有较强的鲁棒性.     

月地转移轨道快速设计方法

月地转移轨道设计一般分为初步轨道设计和精确轨道设计.其中,初步轨道设计的准确性是确保后续精确轨道设计收敛的关键.提出了一种基于Lambert算法的月地转移轨道快速设计方法.以出月球影响球的时刻、位置和速度为中间变量,将轨道分为地心段和月心段分别进行计算.将探测器飞出月球影响球至指定再入点的地心段轨道简化为一个Lambert问题进行求解,提出了通过牛顿迭代法求解月地转移轨道Lambert问题的方法,避免了Lambert问题求解时大量的超几何函数和级数计算,提高了计算效率.在月心段轨道的快速计算中,提出了根据探测器出影响球速度矢量、月球停泊轨道倾角和近月点高度计算月心双曲线轨道根数的新方法.通过迭代计算,使得两段轨道在月球影响球处的位置和速度连续,从而获得一条完整的满足两端约束的双二体月地转移轨道.该方法计算速度快,精度相对较高.计算结果可以作为后续精确轨道设计的初值.      

多体航天器姿态机动的终端滑模复合控制方法研究

研究了带有多种运动附件的航天器姿态复合控制问题.选取典型的两刚体对象建立了完整的动力学模型,简要分析了本体与附件的耦合关系.针对标称本体动力学方程,设计了有限时间干扰观测器估计附件对本体的耦合扰动以及外部环境干扰,在终端滑模控制器中进行主动补偿,利用扩展的Lyapunov稳定性定理证明了本体控制系统的有限时间收敛性;为减小本体机动对附件指向的影响,在附件控制器中引入对本体角加速度的补偿.仿真结果表明,所设计的复合控制系统能够较好地估计并且补偿系统的总干扰,具有较高的控制精度和较快的系统响应.     

航天器气动力辅助轨道转移轨迹优化问题研究

针对航天器共面及异面气动辅助轨道转移的轨迹优化问题,利用高斯拟谱法将原始连续两点边值问题离散化并转化为等价的非线性规划问题,应用SNOPT算法对此非线性规划问题进行求解．同时分析了对应于不同变轨角度时大气内飞行轨迹、飞行速度以及热流峰值的变化规律．     

太阳帆板驱动机构微振动建模及摩擦补偿研究

从太阳帆板驱动机构（SADA）微振动产生机理出发,考虑电机谐波力矩和导电环摩擦力矩对电机输出力矩的影响,建立以永磁同步电机（PMSM）为驱动源的闭环SADA模型及其与挠性负载耦合的动力学方程.通过拟合电机低速运行时导电环摩擦力矩随转速的变化曲线,利用非线性最小二乘法辨识摩擦模型静态参数,并在电机闭环反馈调节机制中引入摩擦补偿环节.通过对比和分析摩擦补偿前后电机控制量以及帆板转速输出的变化,仿真结果表明摩擦补偿在一定程度上消除了摩擦对SADA低速运行性能的影响,为降低SADA对超静卫星平台和高性能载荷的影响以及展开对其微振动优化和抑制提供依据.     

未知参数高阶线性系统基于特征模型的卡尔曼滤波

针对一类有量测噪声的未知参数高阶线性系统设计了基于特征模型的卡尔曼滤波器,改进了由于传统卡尔曼滤波器在未知系统状态转移阵时应用的难题.在对高阶线性系统的自适应控制中,利用建立系统的特征模型构造状态转移阵,结合卡尔曼滤波的思想对系统输出进行滤波,使系统输出以及控制量的性能得到极大的改善.通过对一个未知参数的高阶线性系统仿真实验验证了此方法的有效性.     

一种连续波雷达高精度波束中心速度求取方法

解决着陆导航连续波测速雷达中面目标非均匀散射特性和加速度分量对测速精度的影响,提出了一种高精度波束中心速度求取方法。采用Kalman滤波完成速度跟踪和加速度估计,进行加速度补偿后,利用ZFFT变换完成对目标多普勒频移范围的细化分析,最后采用包络截取法完成高精度波束中心速度估计。通过仿真分析证明,包络截取法相比其他方法具有精度高、适应性强的特点,速度测量误差小于0.15m/s（3δ）;通过硬件系统处理时间分析,该算法流程易于实时处理,已成功应用于某着陆导航雷达系统中。     

平动点周期轨道间小推力转移的Gauss伪谱法

针对三体问题共线平动点附近周期轨道间的小推力转移问题,构造了一种新的形状函数,在此基础上提出了一种基于Gauss伪谱法的优化设计方法。首先,建立小推力轨道转移动力学模型,参考初始轨道和目标轨道的类型,构造一种新的形状函数以近似小推力转移轨道。为满足不同的约束要求,提出了振幅和相位按多项式变化的假设,推导了小推力转移轨道的近似解析解;然后利用Gauss伪谱法将小推力轨道转移的最优控制问题转化为非线性规划问题,并对推导的近似解析解进行解算和处理,为Gauss伪谱法求解非线性规划问题提供较为有效的控制变量的初始猜测值;最后以地月系统L1点附近Halo轨道间的小推力转移问题为例进行了仿真分析。仿真结果表明,小推力转移轨道近似解析解具备有效性和普适性,使得Gauss伪谱法的迭代效率提高55%以上,同时也表明Gauss伪谱法可有效解决平动点周期轨道间的小推力转移轨道优化设计问题。     

Finite-time asteroid hovering via multiple-overlapping-horizon multiple-model predictive control

This paper investigates the asteroid hovering problem using the Multiple-Overlapping-Horizon Multiple-Model Predictive Control method. The effectiveness of the predictive controllers in satisfying control constraints and minimizing the required control effort is making Model Predictive Control a desirable control method for asteroid exploration missions which consist of the asteroid hovering phase. However, the computational burden of Model Predictive Control is an obstacle to employing the asteroid’s complex gravitational field model. As an alternative option, the Multiple Horizon Multiple-Model Predictive Control method has been introduced previously, which could provide a solution with the less computational burden with respect to the nonlinear Model Predictive Control. It was shown that it is not necessary to deduce the exact dynamics model to predict the system’s behavior during a long period using this approach. However, the calculated control acceleration was not smooth enough because of the crisp borders of consecutive horizons, which may cause an image motion and degrades the geometric accuracy of high-resolution images in asteroid hovering missions. In this paper, the Multiple-Overlapping-Horizon Multiple-Model Predictive Control method is introduced instead to solve the problem of controlling acceleration fluctuations by overlapping consecutive horizons. Numerical simulation results are presented to validate the effectiveness of the proposed control method, and its advantage is demonstrated accordingly for the asteroid hovering problem in achieving the hovering position and velocity.     

微重力环境下蓄液器流体蓄留特性的试验研究

为验证板式贮箱蓄液器的蓄液性能,搭建了蓄液器模型试验系统,针对蓄液器模型的蓄液性能和流体传输行为进行微重力落塔试验研究,得到微重力环境下蓄液器的流体蓄留和传输规律.试验结果表明,相对于楔形蓄液器,双圆锥形蓄液器具有更好的蓄液能力,对于双圆锥形蓄液器,承受侧向加速度时仍具有良好的蓄液能力,合理设计蓄液器结构可有效地蓄留液体并控制液体传输速度.该试验成果不仅为新型板式流体管理部件设计优化提供参考,同时也为空间环境下流体控制提供了一种新方法.     

Design and analysis of a direct transfer trajectory from a near rectilinear halo orbit to a low lunar orbit

A near rectilinear halo orbit (NRHO) is regarded as a potential orbit for a future deep space station that can effectively support sustainable crewed lunar exploration missions. In this paper, the L₂ southern NRHOs are selected as the research object, and a direct transfer trajectory from an NRHO to a low lunar orbit (LLO) is designed and analyzed. First, based on the circular restricted three-body problem, the characteristics of NRHOs are discussed including geometric behaviour, stability and synodic resonance. Second, optimal direct transfer trajectories are obtained by combining a local gradient optimization with a numerical continuation strategy. A reachable domain calculation model is established. Finally, simulations are carried out to verify the feasibility of the trajectory design method. The relationship between the velocity change and the reachable domain is further analysed through simulation calculations.     

控制力矩陀螺框架谐波减速驱动系统建模与仿真

摘要： 控制力矩陀螺是航天器姿态控制系统的重要执行机构,它具有输出力矩大、速度响应快、功率消耗低、寿命长等优点,可以完成高速率的姿态机动控制.综合考虑谐波减速器的齿隙模型、非线性刚度、减速器效率等因素,对CMG框架驱动组件用谐波减速器进行精细建模.针对低速下谐波减速器的刚度较低、传动误差较大这一缺陷,建立考虑传动误差的减速器模型;与传统的不考虑传动误差的模型相比可更准确地描述谐波减速器在低速下的输出速度曲线.根据建立的CMG框架驱动系统模型,在低速下采用PID闭环控制对输出转速误差进行抑制,使输出转速误差降低了50%以上.最后分析其对谐波减速器刚度和阻尼对框架系统性能的影响.