A new class of intermediate thrust arcs in the restricted three-body problem

The Mayer’s variational problem of determining spacecraft optimal trajectories in the context of a classical restricted three-body problem is considered. Integrability of differential equations of a controllable motion in the non-central gravitational field represents well known and challenging task. It is shown that in the absence of sufficient number of first integrals, an explicit dependability of unknown integrals on certain variables can be used to explore the existence of previously unknown particular integrals and solutions of these equations utilizing Dokshevich’s method of analytical dynamics. A new class of extremal analytical solutions of the problem for intermediate thrust arcs is presented. An illustrative example of utilizing these solutions in minimizing the spacecraft characteristic velocity of a transfer from a specified initial position to some final position in the Earth-Moon system is discussed.     

月球引力转弯软着陆的制导控制研究

对于月球引力转弯软着陆过程 ,采用反馈线性化方法 ,对高度和速度信息分别设计了跟踪制导控制律 ,并应用微分几何的有关理论证明了这两种跟踪制导控制系统的李雅普诺夫稳定性。此外 ,根据软着陆系统推力、燃料和状态的约束条件 ,给出了引力转弯着陆过程初始条件的可达集合。最后给出的软着陆跟踪制导实例 ,只需要测得斜向距离、速度和姿态角度信息。这种制导方法测量简单 ,适于低成本的软着陆任务。     

基于最优控制的高超螺旋俯冲轨迹设计

针对高超声速飞行器在俯冲阶段的突防与制导问题,提出了一种基于最优控制的螺旋俯冲轨迹设计方法。首先,根据二阶视线角加速度相对运动方程强耦合、非线性的特点,引入了反馈线性化技术,将非线性系统转化成了线性系统;其次,为了让飞行器实现对目标的期望角度打击,在状态方程中引入了终端落角约束项。然后,以零化视线角速率和使消耗能量最小为目标,采用最优控制得到了加速度形式的控制输入。接着,为了让飞行器在空间内进行螺旋机动,设计了螺旋加速度控制飞行器速度矢量可绕瞬时视线轴进行旋转;最后,考虑到机动与制导的冲突,设计了高度函数使得最优与螺旋两种信号进行匹配。仿真结果显示,在面对相同的防空威胁时,与基于比例螺旋的轨迹相比,本文设计的俯冲轨迹具有更好的突防效果。     

空间机动目标的跟踪和定位

轨道机动控制过程中，推力加速度的不确定性是机动目标运动的主项摄动。通过对推力加速度和机动目标运动建模，在地心惯性系建立了增广系统状态动力学模型，在地平测量坐标系建立了离散量测模型，同时讨论了机动目标增广状态非线性动力学模型的线性化问题。给出了扩展卡尔曼滤波实时估计增广状态向量的算法，仿真分析证明所述算法稳定、收敛，对机动目标具有较高的定位精度。     

Thrusting maneuver control of a small spacecraft via only gimbaled-thruster scheme

The thrust vector control (TVC) scheme is a powerful method in spacecraft attitude control. Since the control of a small spacecraft is being studied here, a solid rocket motor (SRM) should be used instead of a liquid propellant motor. Among the TVC methods, gimbaled-TVC as an efficient method is employed in this paper. The spacecraft structure is composed of a body and a gimbaled-SRM where common attitude control systems such as reaction control system (RCS) and spin-stabilization are not presented. A nonlinear two-body model is considered for the characterization of the gimbaled-thruster spacecraft where, the only control input is provided by a gimbal actuator. The attitude of the spacecraft is affected by a large exogenous disturbance torque which is generated by a thrust vector misalignment from the center of mass (C.M). A linear control law is designed to stabilize the spacecraft attitude while rejecting the mentioned disturbance torque. A semi-analytical formulation of the region of attraction (RoA) is developed to ensure the local stability and fast convergence of the nonlinear closed-loop system. Simulation results of the 3D maneuvers are included to show the applicability of this method for use in a small spacecraft.     

基于RCMAC网络的动态逆再入制导方法研究

针对升力式再入飞行器的制导问题,首先利用准平衡滑翔原理给出标准的阻力加速度．速度剖面,并对阻力加速度跟踪制导原理进行分析,然后利用自回归小脑模型神经网络（RCMAC）网络良好的非线性逼近能力、泛化能力和自学习能力,采用基于RCMAC网络的动态逆方法实现对阻力加速度的跟踪,并证明闭环系统的稳定性．三自由度仿真结果表明,该制导方式降低了动态逆方法对模型的依赖,增强了制导系统的鲁棒性．     

航天运载器磁悬浮助推发射关键技术

以航天运输为背景,研究了磁悬浮助推发射的磁悬浮、直线电机、空气动力影响和运载器分离发射等关键技术问题.通过磁悬浮系统比较,确定高温超导体EDS(Electrodynamic Suspension)系统是适合的磁悬浮技术方案,在单元静、动态实验测试基础上,研究其基本静态悬浮导向性能和刚度、阻尼特性,并建立缩比研究试验平台以评估磁悬浮系统的综合性能.通过分析2种直线电机类型及优缺点,确定双边感应直线电机是适合磁悬浮发射系统的一种直线电机加速方式,并确定脉冲磁流体发电的能量供给方案.通过磁悬浮发射空气动力影响分析,优化设计磁悬浮发射装置气动外形和气动布局,得出其基本气动特性,并提出利于实现系统俯仰力矩平衡的气动翼控制方案.研究了运载器同时滑离导轨式定向器分离发射方案,并通过动静法计算分析得出运载器从定向器滑轨上成功分离所需具备的基本动力学参数.      

磁等离子体推力器工作机理与应用前景研究

研究了发动机能量输入、工质电离、等离子体加速及能量转换过程及机理,同时分析了磁等离子体推力器在空间推进任务中的应用前景.研究表明磁等离子体推力器主要利用电磁力加速和磁喷管的能量转换作用来实现加速,这种方式在大功率条件下,能够获得大推力、高功率和较长工作时间,在大功率轨道航天器和深空任务中有广阔的应用前景.     

利用视加速度补偿和推力逐级释放的垂直着陆制导方法

针对运载火箭子级垂直返回着陆段的制导问题,本文在应用凸优化的滚动时域在线规划基础上研究了制导鲁棒性的改善策略。为应对着陆后期控制能力不足的情况,在滚动规划过程中引入了推力上界逐级释放的策略。同时,考虑缓解干扰和误差累积的影响,在制导周期内引入视加速度信息对在线规划的推力指令进行补偿,以进一步改善滚动规划的递归可行性。最后,通过数值算例仿真及对比分析验证所提出的补偿策略的有效性。     

空间机器人柔性臂动力学模糊控制的研究

重点研究了在空间机器人柔性臂的动力学非线性控制问题,由于柔性臂动力学系统的强非线性和耦合性,使得柔性臂控制系统复杂,控制的实时性和稳定性差,本文针对以往柔性臂控制所存在的问题,综合考虑系统的动态和静态特性,提出了一种带有非线性补偿器及ＰＩＤ控制器的柔性臂模糊复合控制方案,然后,根据所推导了一两连杆的空间机器人柔性臂的这非线性模型,进行了系统控制的仿真研究,实例仿真的结果表明,该控制方案能有效地抑制     

月球重力转弯软着陆的模糊变结构控制

针对月球软着陆的最终段,提出了以重力转弯方式进行软着陆的模糊变结构制导律.首先设计了次优滑动面,然后引入模糊控制器,使滑动变量逐渐收敛到0,实现安全着陆.考虑了发动机推力偏差、着陆器初始质量估计偏差、月球引力加速度偏差、初始条件干扰、敏感器测量误差及姿态跟踪误差.并用Monte Carlo技术验证了所设计的模糊变结构制导律具有很强的鲁棒性,能够克服各种随机偏差及干扰的影响.因此,所设计的软着陆制导律是可行的,并且只须以斜向距离和斜向速度作为输入,工程实现简单.      

重力波非线性传播过程中的饱和与破碎

采用水平方向的显式算法与垂直方向的隐式算法相结合的时间分裂法,建立了二维可压缩大气中重力波非线性传播的数值模式.用本模式对小振幅重力波传播过程的模拟结果与线性重力波理论预测的结果吻合很好,从而验证了本模式的正确性.我们用此模式模拟了有限振幅重力波在非线性传播过程中的饱和与破碎,结果表明,(1)翻转出现在饱和之前,但向破碎演化仍需要一段时间,由于非线性波-波和波-流相互作用使得非线性数值模拟的饱和高度(出现时间)高(早)于线性饱和理论预测的结果;(2)重力波在不稳定之前已经有能量向背景场中转移,破碎直接导致非线性波-波相互作用,造成能量向小尺度短波上转移;(3)背景风场的加速方向,形成射流的方向与重力波的水平传播方向一致,表明重力波与背景流的非线性相互作用加剧了背景风剪切和不稳定性的发展.      

Field-of-view constrained guidance algorithm for -V-bar constant thrust departure

In this paper, the relative position parameters of the chaser are obtained by using the vision measurement and the target departure manoeuvre positions are calculated through the isochronous interpolation method. A guidance algorithm for -V-bar constant thrust departure with consideration of the constraints of field of view and safety distance is investigated. New switching control laws under constant thrust are designed for departure manoeuvres of the chaser. The switching control laws are obtained based on the acceleration sequences and the on time of thrusters in three axes which can be respectively computed by the time series analysis method. The perturbations and fuel consumptions are addressed during the computation of the on time of thrusters.     

非等间距显式算法在重力波非线性传播数值模拟中的初步应用

采用3阶TVD型显式时间积分方法,建立了2维可压缩大气中重力波非线性传播的非等间距显式数值模式.对小振幅重力波传播过程的模拟结果表明,该模式能够很好地再现小振幅重力波的传播过程,并能保持能量守恒关系和各扰动量之间的相位关系,与线性重力波理论预测的结果吻合很好.对有限振幅重力波的模拟结果表明,与格点数相同的等间距网格中的模拟结果相比,采用非等间距网格能够以更高的分辨率模拟重力波的不稳定传播直到破碎的整个过程;在非等间距网格中的模拟结果与在加密一倍的等间距网格中的模拟结果相同,说明了用非等间距网格模拟重力波的饱和与破碎过程是正确的,并且采用非等间距网格能够大大减少计算量.      

深远空连续推进动力与施图林格解的解析

针对太阳系远深距离的探测将是人类下一阶段深空探测活动的主要目标。这一目标的实现依赖于探测器连续推进动力技术的突破。从描述连续常值推力下太空飞行的施图林格解出发,对其中反映的深远空飞行任务有效载荷比、任务时间、飞行距离等关键参数与发动机性能之间的关系进行了深入分析。给出了在特定任务时长、特定飞行距离要求下发动机比冲、功率需要满足的条件及其对有效载荷比、最终飞行速度等指标的影响。此外,基于二体轨道动力学对太阳系行星探测的大椭圆转移轨道和转移能量进行了推导,并对连续推力的太阳帆任务方案涉及的关键技术指标做了理论性的计算。这些结论是对深空探测连续推力方案基础理论的归纳,可以为我国未来开展深远空探测活动提供重要的启发和指导。     

基于线性重力差模型的拦截弹中制导技术

针对机载动能拦截弹的中制导段气动力作用可忽略且存在无法实时精确计算重力偏差等特点,提出了一种基于线性重力差模型的预测制导方法。通过线性模型逼近中制导过程中拦截弹与目标之间的重力偏差,以此为依据调整拦截弹的推力矢量并将重力偏差值消除。在此基础上采用延迟点火的策略使得拦截弹的拦截器助推级更好地修正预测模型与实际情况的偏差,经过仿真验证可以将整个中制导段的脱靶量限制在一个较小数值,从而为末制导段提供良好的初始条件。     

基于脱靶量级数解的最优机动突防策略

针对比例导引控制的拦截弹，建立高阶制导系统状态空间模型，基于脱靶量级数解公式，对目标最优机动突防策略及其影响因素进行了研究。首先，针对拦截弹的制导系统为线性一阶、线性高阶时，目标最优机动突防效果进行了仿真分析，结果表明拦截弹弹体模型的准确性对突防效果存在影响，高阶系统对应脱靶量更大且效果更真实；将结果与一次阶跃机动和蛇形机动对比，发现最优机动突防效果最佳。然后，建立弹目运动的二维非线性模型，仿真得出目标最优机动产生的脱靶量曲线与线性系统吻合度较高，线性模型选取合适。最后，研究了有效导引比和剩余飞行时间估计误差对最优机动突防效果产生的影响，结果表明有效导引比估计误差对最优机动突防效果影响不大，剩余飞行时间估计误差则会使目标最优机动突防性能大幅下降，甚至部分情况比蛇形机动突防效果差。      

电负性气体等离子体推力器研究进展

目前广泛应用的电推力器中,大多采用加速单一正离子的方式来获得推力和相应比冲。该加速方式需要增设中和器,对喷射出的正离子进行中和以保持羽流电中性,否则将导致航天器自充电,对其通信和电子器件造成损害,并减弱加速场。为了简化系统结构,延长推力器寿命,提出了一种能够交替加速正、负离子来获得推力的电负性气体等离子体推力器。分析了该推力器的工作原理和加速过程,指明了包括电负性气体种类选取、电子过滤装置设计要求、如何施加周期性栅极偏置电压加速正、负离子以及合理诊断离子数密度等关键技术,为后续研究工作提供了参考。     

Constant thrust fuel-optimal control for spacecraft rendezvous

In this paper, constant thrust rendezvous is studied and the optimal rendezvous time is calculated by using continuous genetic algorithm. Firstly, the relative position parameters of the target spacecraft are obtained by using the vision measurement and the target maneuver positions are calculated through the isochronous interpolation method. Then, the results of the calculation of constant thrust rendezvous is founded by processing with multivariate linear regression method. Next, a new switching control law is designed based on the thrust acceleration sequence and the on time of thrusters which can be computed by the time series analysis method. The perturbations and fuel consumptions are addressed during the computation of the on time of thrusters.     

非线性系统的全局线性输出反馈镇定

考虑了利用线性输出反馈全局镇定一类不确定非线性系统的问题.已有线性输出反馈控制中三角型约束条件被推广到了非三角型条件.构造了一个线性高增益观测器和一个耦合的线性高增益控制器,并利用增益尺度变换的方法,证明了闭环系统的全局稳定性.仿真结果说明该方法的有效性.