附着小天体的动态面鲁棒制导与控制方法

以精确附着小天体表面的任务为背景,提出一种基于扰动观测器(DOB)和动态面控制的附着小天体的制导与控制方法。根据探测器的初始条件与终端着陆条件规划了标称轨迹,并将引力场建模误差、参数摄动和外部干扰等视为总扰动,结合动态面控制和DOB设计了标称轨迹跟踪控制器。分析总扰动估计误差的渐进收敛性以及闭环标称轨迹跟踪控制系统的稳定性,并确定控制器参数选取条件。数值仿真结果表明,所设计的DOB可以有效地估计并抑制总扰动且闭环标称轨迹跟踪控制系统具有良好的稳定性和控制精度。     

附着小天体的最优制导控制方法

以小天体伴飞附着任务为工程背景,针对探测器在小天体复杂弱引力场条件下附着这一难题,研究了最优制导控制策略。首先,考虑在小天体极区实施附着任务,建立并简化动力学模型,给出约束条件和基于时间-燃耗最优的混合性能指标要求。然后,采用相平面法设计了最优制导律,利用极限环设计最优开关控制律;同时,采用高斯伪谱法把附着小天体的最优制导问题转化成非线性规划问题,利用Matlab/GPOPS优化工具包求取最优数值解。最后,加入已有的基于矢量测量的自主光学导航模块构建GNC仿真回路,对两种最优制导控制策略进行仿真验证。结果表明:两种制导控制策略都能满足任务要求,但基于相平面法得到的最优制导控制具有一定风险,而基于高斯伪谱法得到的最优制导控制精度更高、燃耗更少,适于工程应用。     

使用动量交换装置的滑模姿态控制

研究一种基于修正罗德里戈参数的考虑执行机构特性的飞行器滑模控制律.建立结合双框架控制力矩陀螺的飞行器姿态动力学模型和基于修正罗德里戈参数的姿态运动学模型;分析模型不确定性以判断其对滑模控制方法的适用性,提出滑动面进而设计相应的滑模控制器,接着结合线性系统理论和李雅普诺夫稳定原理对控制器的参数确定进行了分析;使用蒙特卡罗法数值仿真验证此控制律的效果.结果证明上述控制器可有效完成姿控任务,且控制精确,鲁棒性良好.     

火星大气进入滑模自抗扰制导方法

针对火星探测器大气进入制导阶段存在着模型参数误差等不确定性,基于直接反馈线性化理论设计了一种滑模自抗扰进入制导方法。首先利用反馈线性化方法对跟踪系统模型进行线性化处理;在此基础上设计了滑模控制律,并利用线性扩张状态观测器估计系统的未知不确定量,在控制律中进行补偿;此外还给出了大气进入段的横向制导律。仿真结果表明,与反馈线性化方法相比,该方法设计的制导律有效地降低了模型参数误差对制导精度的影响,实现了对参考轨迹的良好跟踪,提高了探测器开伞点的精度。     

自适应非奇异快速终端滑模固定时间收敛制导律

针对机动目标的末制导拦截问题,设计了一种带攻击角度约束的非奇异快速终端滑模固定时间收敛制导律。与有限时间收敛终端滑模制导律相比,所提制导律能够确保弹目视线（LOS）角和弹目视线角速率在固定时间内是收敛的,并且收敛时间是独立于制导系统初始条件的,可以根据制导律参数预先给定。构造了一种新型的非奇异快速终端滑模面,有效解决了奇异性问题,同时通过合理地改变滑模面与弹目视线角跟踪误差的趋近律指数,使得制导系统比现有的固定时间收敛控制具有更快的收敛速率。此外,设计了一种自适应律,针对目标机动引起的未知扰动进行估计,使得制导律的设计无需预先知道任何关于目标机动的信息。通过仿真实验验证了所提制导律能够使导弹成功拦截机动目标,并且与现有制导律相比,具有更快的系统收敛速率、更高的拦截精度及更短的拦截时间。      

基于神经网络的电液转台非线性积分滑模控制

针对高精度电液飞行仿真转台具有高度非线性、参数不确定和不确定非线性等特点,提出了一种基于RBF（Radial Basis Function）神经网络的非线性积分滑模鲁棒控制方法.采用自适应RBF神经网络对该系统存在的参数不确定性和不确定非线性进行补偿,从而降低滑模控制器对切换项的增益的需求,进而减小系统抖振幅值.积分滑模面的设计能消除外部干扰对系统带来的稳态误差.根据积分滑模变结构控制器的特点,将控制律分为等效控制律和到达控制律.等效控制律使系统运动于滑模面附近,到达控制律可使处于状态空间内任意初始位置的系统趋近于滑模面,并进一步通过Lyapunov方法证明了系统的渐近稳定性.实验结果表明,所提出的非线性控制器不仅能满足电液转台的高精度跟踪性能的要求,且对参数不确定性和不确定非线性具有一定的鲁棒性.     

基于快速自适应超螺旋算法的制导律

针对地空导弹攻击机动目标的制导律设计问题,提出了一种有限时间稳定的新型二阶滑模制导律。在弹目相对运动模型的基础上,将制导问题转化为一阶系统的控制问题。在超螺旋（ST）算法中引入线性项和一种新的参数自适应律,提出了一种快速自适应超螺旋（FAST）算法,该算法不需要已知系统不确定性的边界且收敛速度较快。利用类二次型Lyapunov函数证明了系统有限时间稳定性,给出了收敛时间估计公式。通过与自适应滑模制导律、ST制导律和光滑二阶滑模制导律的仿真对比,验证了所设计的制导律在保证制导精度的同时,能够在有限时间内提高滑模变量的收敛速度,并且避免了参数选择困难的问题。      

小天体着陆动力学参数不确定性影响分析

针对小天体不规则程度高、引力场复杂,且物理参数存在较高不确定性的问题,基于小天体着陆动力学方程线性化近似解析解,对各动力学参数不确定性的影响进行了分析。考虑动力学方程线性化带来的误差,引入线性化误差补偿校正方法,建立了探测器轨迹对动力学参数不确定性的敏感度方程。以小行星Eros 433为例,重点分析了目标小天体质量、自转角速度、引力势函数系数,以及探测器初始状态、推力加速度等动力学参数不确定性对探测器着陆轨迹的影响。数学仿真分析表明,针对本文选取的目标小天体,推力加速度扰动为主要影响因素,探测器初始状态的不确定性为次要影响因素,其他参数扰动的影响较小。     

存在网络丢包的导弹制导控制一体化设计

研究了网络环境下存在丢包的导弹制导控制一体化设计问题.多个地面雷达同时对目标进行观测,并通过网络将目标信息传输给导弹.考虑网络存在丢包的情况,将丢包描述为导弹与雷达之间的通信拓扑模型,建立了包含3个级联子系统的导弹纵向通道制导控制一体化模型.将滑模控制与反演控制相结合,给出了每个子系统的虚拟控制量,并设计滤波器对虚拟控制量进行滤波,使得系统对丢包具有一定的鲁棒性.在此基础上,设计导弹制导控制一体化滑模反演控制律,并给出了系统有界输入有界输出（BIBO,Bounded-Input Bounded-Output）稳定的充分条件.数值仿真验证了所提方法的有效性.      

基于陆标图像的天体定点着陆信息融合导航方法

要安全准确着陆于地外天体指定地点,探测器在下降过程需实时精确确定其相对位置和速度.针对惯性导航结合斜距和相对速度测量的导航方式不能修正相对水平位置估计的缺点,以及多敏感器测量信息融合问题,提出基于陆标图像和协方差交叉算法的天体定点着陆自主导航方法.将光学成像敏感器加入到组合导航系统中,用于测量探测器相对陆标的视线方向以获得关键的相对水平位置信息.在状态估计时采用基于协方差交叉的分布式扩展卡尔曼滤波对多源测量信息作最优融合,提高算法的精度和鲁棒性.通过数学仿真验证了该方法的有效性.     

基于Terminal滑模的小行星探测器着陆连续控制

针对弱引力场不规则小行星探测器安全下降与着陆,提出了一种基于比例微分(PD,Proportional plus Derivative)及非奇异Terminal滑模的连续控制方法.在着陆点坐标系下推导了探测器的动力学方程,设计了开环燃料次最优多项式标称轨迹制导方法.针对下降和着陆两个不同阶段提出了PD和非奇异Terminal滑模变结构连续控制方法.将PD控制的易操作性与非奇异Terminal滑模控制收敛速度快、调整时间短有效结合,保证了探测器安全着陆.仿真结果表明了提出方法的可行性和有效性.     

Deep reinforcement learning for six degree-of-freedom planetary landing

This work develops a deep reinforcement learning based approach for Six Degree-of-Freedom (DOF) planetary powered descent and landing. Future Mars missions will require advanced guidance, navigation, and control algorithms for the powered descent phase to target specific surface locations and achieve pinpoint accuracy (landing error ellipse <5 m radius). This requires both a navigation system capable of estimating the lander’s state in real-time and a guidance and control system that can map the estimated lander state to a commanded thrust for each lander engine. In this paper, we present a novel integrated guidance and control algorithm designed by applying the principles of reinforcement learning theory. The latter is used to learn a policy mapping the lander’s estimated state directly to a commanded thrust for each engine, resulting in accurate and almost fuel-optimal trajectories over a realistic deployment ellipse. Specifically, we use proximal policy optimization, a policy gradient method, to learn the policy. Another contribution of this paper is the use of different discount rates for terminal and shaping rewards, which significantly enhances optimization performance. We present simulation results demonstrating the guidance and control system’s performance in a 6-DOF simulation environment and demonstrate robustness to noise and system parameter uncertainty.     

行星软着陆GPS有模型强化学习制导方法

由于距离地球较远、测控延时误差较大、飞行环境十分复杂且难以提前预测，行星软着陆的自主制导技术目前存在水平位置估计困难、导航参考信息匮乏、复杂地形着陆困难等挑战。针对行星软着陆存在的困难和挑战，提出了基于引导策略搜索算法的有模型强化学习制导方法，实现了着陆器在初始状态受到扰动时，无需重新规划，仍能在满足约束条件的情况下降落在指定位置。该方法将迭代线性二次调节器作为控制器，产生初始轨迹；其次，使用多层神经网络拟合制导策略；最后，利用控制器监督策略学习，进而收敛产生可行策略。针对行星表面软着陆的仿真验证结果显示该算法仅通过几次循环，即可以实现初始状态变化的快速软着陆。一方面表明了基于有模型强化学习的数据高效利用率，另一方面也证明了强化学习方法在深空探测领域中具有广阔的应用前景。     

月球车地球敏感器图像地心位置提取算法

地球是月球上可视半径最大的天体,且在天球上运动范围较小,不存在升降现象.当月球车在月球对地面区域活动时,利用地球敏感器对地球成像可实现月球车长期自主天文导航.地球图像地心位置提取是利用地球敏感器进行天文导航的关键技术之一,直接决定了地球敏感器的观测精度.本文通过研究地球敏感器镜头投影模型分析地球成像规律,提出一种不受地相变化约束的地球敏感器图像地心位置提取算法,采用取半搜索法和循环搜索法两步实现地球真实边缘线的充分筛选,并基于此拟合地心位置.半物理仿真实验校验结果表明,本算法能针对不同地相图像有效提取地球中心,外符合平均精度约为9.78"~16.68",在实验条件随机改变的情况下,地心位置外符合精度标准差互差最大不超过0.98".      

月面无人自主采样返回任务动力下降点确定及验证

动力下降点确定是实施月面软着陆的重要环节，是多系统间复杂迭代的过程，涉及轨道设计、制导律设计、着陆目标的采样区确定、着陆及起飞安全分析。其设计结果直接影响了最终着陆点的位置和着陆过程的着陆安全，也间接影响采样安全和采样工程目标的实现结果。针对嫦娥五号在实施月面软着陆前确定动力下降点的任务需求，提出了通过多次轨道控制与最优标称制导轨迹搜索联合控制策略的动力下降点确定方法。首先，根据月面无人自主采样返回任务设计总结了动力下降点确定原理和约束条件；然后，详细论述了月面无人自主采样返回任务软着陆过程动力下降点确定方法；最后，通过嫦娥五号在着陆前主要的几次轨控实施结果分析了其对动力下降点的影响，同时综合了着陆区地形分析及着陆、起飞安全性分析，对动力下降点进行确定并根据最终在轨飞行结果进行验证。验证结果表明，基于“逐次逼近寻优方法”的月面软着陆环节动力下降点的确定方法有效，可以为后续地外天体软着陆等任务提供参考和借鉴。     

小天体表面采样技术综述

小天体是人类了解太阳系起源演变的重要载体,承载着丰富的科学信息。同时小天体含有丰富的贵金属及稀有元素,具有巨大的利用价值,对小天体进行采样探测具有重要的科学与工程意义。通过调研小天体表面特性以及国外小天体采样技术研究现状与成果,总结了小天体环境对采样探测的特殊要求,归纳了小天体表面采样探测具有低反作用力、轻量化、小型化、低能耗化,需适应附着与接触探测模式等特点,提出了对小天体采样探测的技术需求,为小天体采样探测技术深入研究提供支撑。