微小卫星推力器姿轨一体化控制技术研究

随着微小卫星的技术发展,采用微小卫星组网和轨道机动的需求越来越多。针对微小卫星重量轻、功耗低的特点,本文提出了基于推力器的姿轨一体化控制方案。该方案采用一个大推力器进行轨道控制,4个斜装小推力器兼顾轨道控制和姿态控制,不仅可在卫星轨道机动中实现三轴姿态控制,同时可提高控制系统的功能密度。采用Matlab仿真分析,给出了在卫星轨道机动中同时兼顾三轴姿态控制的仿真曲线。仿真结果表明:本文提出的控制策略具有很好的实用性。     

组合式航天器概念及构型变换最优脉冲控制

为应对多种多样的不确定性对传统航天器的挑战,提出了一种更具灵活性、可靠性的组合式航天器概念。从模块化设计、标准化接口、运行模式、空间任务构型方面对此航天器概念进行描述。它在可维护性、规模可缩放性、可重构性等性能显著增强,特别是具有根据空间任务的不同而进行构型变换的能力。并从相对运动动力学方程出发,本文针对组合式航天器空间任务构型变换,设计了给定机动时间的、以燃料消耗最少为目标的最优脉冲控制方法,生成最优脉冲序列。仿真结果表明,最优脉冲控制方法是实现组合式航天器构型变换的一种有效途径。     

超低轨航天器气动力分析与减阻设计

轨道降低,航天器受到的气动力增大,气动力对航天器影响显著。考虑自由分子流态 下的超低轨航天器,利用分割法把简单外形的航天器分割为几部分,分别计算各部分的气动 力,然后相加获得总的气动力效果;通过对平面的气动力进行计算分析,提出了超低 轨航天器的减阻设计方法;结果表明：当轨道高度降低到250 km左右时,航天器受到的气动 阻力比500 km高出约2个数量级;一般情况下,超低轨航天器应采用细长体构型,减小迎风 面积;侧面积引起的航天器阻力已经不可忽略,应采用侧面光滑技术,减少侧面阻力;当超 低轨航天器长细比超过一定限度后,随着长细比增大,大气阻力升高。
     

交会对接航天器推力分配算法研究

如何将期望控制指令动态地分配到冗余配置的推力器系统成为航天器控制算法设计的关键问题之一.针对推力器冗余配置的航天器控制分配问题进行初步探索性研究,提出了一种基于控制分配技术的推力动态分配新方法.首先建立推力分配问题的数学模型,并运用伪逆与线性规划相结合的二次分步优化方法对问题进行求解,且将其应用于以推力器为执行机构的交会航天器轨道与姿态一体化控制问题研究.最后对算法进行开环仿真验证,并采用微小卫星物理仿真平台(MicroSim平台)的推力器配置方案进行交会对接最后接近段的六自由度闭环数学仿真验证.仿真结果表明:所提算法在燃料消耗上优于传统的轨道与姿态单独控制模式.     

航天器编队飞行轨道构型研究

通过研究航天器编队飞行轨道动力学和推力控制,提出编队飞行轨道构型有自然式、强迫式和混合式三类,并对每类都举例说明若干种典型构型,以及构型如何建造与所需燃料,文章总共提出14种典型轨道构型,这些构型可供今后编队飞行应用参考。     

柔性航天器预设性能及时间自抗扰姿轨跟踪控制

针对柔性航天器的姿轨机动及跟踪控制问题,首先基于模块化的多体动力学建模方法在SE(3)框架下建立柔性航天器的姿-轨-结构一体化动力学模型,其中航天器的位置、姿态使用李群SE(3)上的指数坐标来描述,然后进一步推导其相对动力学模型。在此基础上提出一种基于预定义性能及时间的积分滑模跟踪控制方法,通过引入预定义时间扰动观测器估计柔性附件弹性振动及空间环境的扰动,并在控制律中加入扰动估计结果的前馈补偿项,通过Lyapunov理论证明了系统的闭环稳定性和跟踪误差收敛性。该算法通过对状态误差的实时监测来调整执行器的输出,使控制器在系统存在柔性振动及空间环境干扰的情况下仍可实现高精度的姿轨跟踪。将其应用至柔性航天器姿轨跟踪系统中,仿真结果表明了该控制方案的有效性和实用性。     

卫星储能/姿控一体化飞轮构型及其误差分析

介绍了卫星储能/姿控一体化飞轮的偏置动量、零动量和单个飞轮的不同构型及其组成,并分析了成对飞轮偏置动量、单个飞轮零动量构型的动量和能量转换。建立了偏置动量和零动量飞轮的控制模型。对电机转矩不对称,以及转子转动惯量和安装不同轴误差对卫星姿态的影响进行了仿真试验。结果表明,前者的影响甚微;后者在不同轴误差为0.2°时,转动误差应小于2%。     

推力器布设对控制误差的影响分析

航天器推力系统发动机数目及其构型的选择直接影响控制系统的精度和完成要求任务的燃料消耗量.对航天器六自由度控制的推力分配问题进行了研究,参考卫星导航系统中几何精度衰减因子的定义,提出了发动机构型精度衰减因子的概念,用于定义发动机相对几何关系引起的执行误差与分配误差间的比例关系.通过矩阵理论分析得到了构型精度衰减因子随参与分配发动机数目增加而增加的结论,并通过仿真计算对相关结论进行了验证,为航天器发动机数目及其构型的选择提供了理论参考.     

变构型航天器参数化前处理方法

针对变构型航天器结构不固定的问题,基于VC 6.0软件对Trail及Session进程文件开发的方式,研究了利用Pro/E及Patran软件对航天器进行参数化建模及网格划分的具体操作方法,通过IGES中间文件的形式,将Pro/E及Patran相连接,利用VC开发工具建立了一套变构型航天器参数化前处理平台。采用两舱构型航天器对参数化前处理方法及平台进行了验证,结果表明:该参数化建模及网格划分方法切实可行,可为变构型航天器的静力学、动力学、热、结构等分析过程的前处理方法提供参考。     

圆轨道欠驱动航天器编队重构脉冲控制

针对圆轨道径向或迹向欠驱动航天器编队重构控制问题,提出了欠驱动脉冲控制方法。首先,基于圆轨道欠驱动航天器相对运动动力学模型,分析了两类欠驱动条件下的系统可控性和重构可行性。然后,解析推导了两类欠驱动条件下实现重构所需的最少脉冲次数以及对应的速度增量消耗。最后,设计数值仿真算例,验证了本文提出的欠驱动脉冲控制方法的正确性。仿真结果表明:径向和迹向欠驱动条件下均可实现圆轨道编队重构。与全驱动控制方法相比,欠驱动控制方法可有效避免由推力器故障引起的重构任务失效,故而提高了控制系统的灵活性与可靠性。     

一种新型卫星携气瓶推力器喷气时长计算方法

卫星自主编队保持通常采用开环控制模式,需要星载计算机(AOCC)根据推进系统的工作状态实时计算喷气时长。由于AOCC计算能力有限,在携气瓶推力器仿真测试过程中采用的速度增量关机方式不适用于在轨喷气时长的计算。为减小AOCC运算量,提高控制精度,开展了携气瓶推力器的动力学建模仿真,进行了寿命期间的性能分析。针对该时变推力模型,设计了AOCC喷气时长计算方法。通过推力的状态传递和推力预测,构造了以喷气时长为变量的代数方程,并将该方法应用到一组多次喷气情况下的喷气时长计算。仿真结果显示:与以往基于单点测量的推力器喷气时长的计算方法相比,采用该方法计算的喷气时长更接近理论值,能够有效提高卫星自主编队保持的控制精度。     

轨道快速机动期间的姿态鲁棒稳定控制方法研究

根据挠性充液航天器刚液柔强耦合、变参数及模型不确定的特点,研究了一种神经网络输出变结构控制算法.根据该算法提出了轨道快速机动卜的姿态控制方案,设计了控制系统并对干扰力矩、模型不确定性等工况进行了仿真.仿真结果表明在发动机干扰力矩和模型不确定情况下.系统能够快速稳定到要求的精度.所设计的系统具有较强的鲁棒性,能够抑制挠性附件振动和液体晃动的影响.     

航天器连续非光滑姿态控制律设计

为了提高航天器姿态控制系统的鲁棒性和动态特性,应用非光滑控制方法设计了连续的姿态控制律,使闭环姿态控制系统具有齐次性,且齐次度为负,实现了姿态控制系统的有限时间稳定,以保证系统状态的动态特性。分别针对标称系统、参数不确定性和外部扰动等情形进行了仿真验证,仿真结果表明所设计的控制律在保证标称系统有限时间稳定性的同时,针对系统的不确定性和扰动具有鲁棒性。     

无速度测量下的航天器安全接近位姿一体化控制

针对考虑位姿耦合的非合作航天器交会对接场景,在没有速度测量情况下为了同时解决安全约束、模型不确定性、执行器故障和输入饱和问题,提出一种基于容积卡尔曼滤波算法(CKF)的自主安全接近方法。首先基于容积卡尔曼滤波器和扩张状态观测器(ESO)分别估计目标航天器的位姿信息和相对速度信息;然后通过将一种新颖的安全包络与人工势函数(APF)结合设计自适应滑模控制器,并设计非奇异辅助系统对执行器故障和输入饱和带来的影响进行集中处理。提出的控制策略在不违反安全约束情况下,能在固定时间内实现位置接近和姿态同步。通过李雅普诺夫方法可以保证闭环系统固定时间稳定。仿真结果表明,所提控制方法具有较高的精度和良好干扰抑制能力。     

柔性航天器姿态机动轨迹设计及跟踪控制

针对柔性航天器姿态机动的“快速性”及“稳定性”矛盾,研究了一种优化与控制综合的姿态机动轨迹设计与跟踪控制方法。首先,考虑柔性航天器姿态机动过程中既快又稳的需求,建立姿态机动的多目标多约束条件,优化获得姿态机动轨迹,在满足快速性基础上,最大限度提高稳定性;其次,设计新型的快速鲁棒输入成形器(FRIS),与传统输入成形器相比,FRIS具有更短的作用时间及更强的鲁棒性,能够有效抑制柔性附件振动,为姿态机动的“快速性”及“高精度”奠定基础;最后,设计新型自适应连续终端滑模控制器(ACTSMC),避免增益过估计,提高控制精度,实现对期望姿态轨迹的有限时间快速高精度跟踪控制。数值仿真校验了所提方法的有效性。     

航天器姿态的非线性鲁棒分散控制器设计

研究了具有外部干扰力矩及参数不确定性的航天器姿态控制问题。针对这类多输入-多输出的不确定非线性系统，基于一种非线性鲁棒分散控制理论，设计了结构简单而易于实现的控制器。该控制器中包含的积分环节可以补偿系统的各种未知因素，同时确保恒值调节系统不存在稳态误差。仿真结果表明：所设计的鲁棒分散控制器与非线性动态逆控制器相比，具有更优越的抗干扰能力和对模型不确定的适应能力。即使系统存在外部干扰及模型小确定性，仍可在闭环系统中实现精确的姿态控制。该控制器有效地提高了航天器姿态控制的鲁棒性和适应性。     

考虑输入饱和的多航天器系统姿轨耦合分布式协同跟踪控制

基于一致性理论,研究了多航天器系统相对轨道及姿态耦合的分布式协同控制问题。在仅有部分跟随航天器可获取领航航天器信息的情形下,针对各跟随航天器存在未建模动态以及外部环境干扰等问题,利用双曲正切函数的性质,提出了考虑输入饱和的分布式自适应协同控制律。首先,对于领航航天器具有时变状态的情形,为每个跟随航天器设计了3个滑模估计器,对领航航天器的状态进行估计。其次,针对跟随航天器间相对速度和角速度难以测量的问题,设计仅需领航航天器状态的切比雪夫神经网络自适应更新律。最后,设计考虑输入饱和的分布式自适应协同控制律保证各跟随航天器跟踪动态领航航天器。仿真结果表明了该算法的有效性、可行性。