美国改进型一次性运载火箭发展概况

介绍美国新一代运载火箭系列的研制计划。该计划的目的是替代重型“大力神”、中型“德尔它”和“宇宙神”运载火箭系列，使成本降低到现有运载火箭的２５％～５０％。改进型一次性使用运载火箭的第一次发射预定在２００１年。     

重力梯度对自由漂浮空间机器人姿态扰动分析

分析重力梯度对在轨运行的自由漂浮空间机器人姿态运动影响。由Lagrange方法建立自由漂浮空间机器人受重力梯度扰动的非线性动力学模型。首先,考虑无控关节自由状态,分析重力梯度对关节运动的影响。其次,利用相平面轨迹分析重力梯度对自由漂浮系统姿态运动影响。最后,由速度偏差曲线分析重力梯度对机械臂的影响。结果表明,当作用时间接近轨道周期或更长时,重力梯度引起的关节偏差已十分显著,且这种扰动作用主要由轨道偏心率决定;关节锁定时俯仰姿态受扰运动有周期振动与翻滚两种形式,若初始角速度满足一定限值可以保证俯仰运动不发生翻滚;当机械臂长时间工作时,忽略重力梯度将产生明显的末端定位误差。     

多目标融合的冗余空间机械臂碰前轨迹优化

面向在轨对接与装配任务,提出了多目标融合的冗余度空间机械臂碰前轨迹优化方法。通过分析任务特点,阐述了空间机械臂碰前的多重任务目标。针对由空间机械臂连续轨迹跟踪、碰撞姿态控制及碰撞冲量幅值优化三个目标组成的第一类任务,通过设置任务优先级融合多目标并采用基于主任务零空间的方法实现对碰前轨迹的优化;而对由空间机械臂点到点规划、碰撞姿态控制及碰撞冲量幅值优化三个目标组成的第二类任务,通过设置任务权重将多目标融合并采用遗传算法对碰前轨迹进行优化。以典型七自由度机械臂为例开展仿真实验,验证了提出的轨迹优化方法的有效性。     

小步长低阶Collocation方法轨道积分性能研究

介绍了Collocation方法的原理及误差构成,以Collocation方法在逐历元滤波轨道解算中的应用为切入点对小步长低阶Collocation方法轨道积分的性能进行了研究。分别就二体问题及真实GPS星座卫星轨道为对象进行了一系列验算,得到了一些有益结论：就积分方法本身性能而言,Collocation积分方法较传统数值积分法精度要高且稳定性要好;在一定长度的积分步长范围内,将小步长低阶Collocation方法用于滤波轨道解算是可行且有效的。 但在积分步长很小的情形下,从计算效率方面考虑,不推荐使用Collocation方法;利用小步长低阶Collocation方法取代大步长高阶方法能提高效率且可抑制蚀现象引起的积分结果发散。经试验表明：选用积分步长为900s的4阶方法是合适的。     

基于闭环解析解的可重复使用运载器轨迹在线生成方法

The relationships between path constraints such as heating rate, dynamic pressure and aerodynamic load and velocity during entry flight are analyzed in  r-V  plane for an entry vehicle with mediate high lift to drag ratio. Through derivation and integration, a unified formula for path constraints is obtained in  r-V  plane. Based on the unified formula and several characteristics an analytical solution is obtained,and an online trajectory generation method is developed. In the method, the coupled longitudinal and lateral motion is considered, and can make the best use of flight capability and satisfy path constraints. Trajectory generation cases with different flight mission and downranges are tested. Simulation results demonstrate the capability and efficiency of the trajectory planning method in dealing with path constraints.     

考虑跟踪制导的小天体着陆轨迹闭环优化方法

针对小天体着陆环境存在参数不确定性及初始状态偏差的特点,提出一种小天体着陆闭环优化方法,实现在节省燃料消耗的同时降低对参数的敏感度。首先,建立小天体着陆动力学模型,分析了燃料最优着陆问题;然后,采用线性二次型调节器设计了反馈制导律,推导闭环敏感度矩阵方程,构造燃料消耗和敏感度加权的性能指标,进而能够通过优化降低小天体着陆过程的敏感度。仿真结果表明,该闭环优化方法能有效降低对参数不确定性和初始状态偏差的敏感度,最终达到提高小天体着陆位置和速度精度的目标。     

非凸二次约束下航天器姿态机动路径迭代规划方法

针对复杂约束下航天器姿态机动路径规划问题,首先描述和分析了航天器姿态机动过程中面临的动力学和运动学约束、有界约束、姿态指向约束,把姿态指向约束利用非凸二次型进行表述;其次从能量最优角度出发,将该约束机动问题归纳为非凸二次约束二次规划问题;然后引入线性松弛技术,将该问题转化成双线性规划问题,求出其中一个变量的凸包络和凹包络,降低求解复杂度,从而求出原问题的一个线性松弛。同时为了提高求解精度,提出一种基于评价函数的迭代规划算法,利用线性松弛求出的解作为初值,通过评价函数进行迭代规划,最终求出原问题的最优解。仿真结果表明该方法不仅可以满足复杂的姿态约束,得到全局姿态优化路径,而且能够降低能量消耗。     

期望状态序列导向的深空探测器规划修复方法

针对探测器动作持续、并行、消耗能源所导致的规划修复难求解问题,提出一种基于期望状态序列的深空探测器规划修复方法。该方法根据动作的执行完成情况,从既定规划中提取未完成执行动作的期望效果以及待执行动作的期望前提,构成一组有序的、逻辑与能源混合的期望状态集合,为规划修复提供子目标,从而将规划修复问题转化为状态转移路径搜索问题;并在搜索过程中,提出能源补给优先的规划修复策略,将逻辑修复与能源修复分离以降低问题求解难度,最终使得探测器能够自主从规划失败中恢复执行。最后,以火星环绕器为例进行数值仿真,验证了方法的有效性和合理性。     

航天器时态规划技术研究进展

结合航天器自主运行的迫切需求,阐述了航天器任务规划问题给智能规划技术带来的挑战,并重点分析了具有时间属性的规划方法研究必要性。给出航天器时态规划定义,分别总结了状态空间时态规划建模方法和基于时间线的时态规划建模方法,并给出时态规划知识模型关键元素定义。根据规划方法发展现状,归纳总结前向链、模型转换、规划空间规划和分层任务网络四种方法在时态规划技术方面的特点和研究进展,着重描述各种方法对规划中时间要素的处理。在对目前的航天器时态规划技术发展趋势总结分析基础上,给出了未来航天器时态规划技术的发展建议。     

逆金字塔式安全着陆点选择方法

针对现有地外天体软着陆安全着陆点选择方法的不足,设计了逆金字塔式安全着陆点选择方法,结合着陆器的落点精度和自主避障及地形坡度适应能力,建立了基于平整点、安全着陆点、可靠避障点和标称着陆点的地形安全性分析与定量搜索模型,该模型呈四层逆金字塔结构,每一层搜索的结果作为下一层搜索的输入,从弱约束到强约束逐步收敛至100%地形安全着陆区,嫦娥五号探测器飞行结果表明该方法能够快速确定安全着陆区及标称着陆点,并有效指导着陆下降过程的标称航迹设计和轨道控制策略制定。