电动力绳系研究进展

介绍了电动力绳系的主要构造及工作原理,回顾了国内外关于电动力绳系的研究历程,并总结了相关在轨试验进展情况。从绳系模型、轨道动力学以及绳系展开动力学与控制等几个方面对电动力绳系进行了分析,最后对电动力绳系技术未来的发展和应用做了展望。     

高超声速风洞WDPR支撑尖锥模型应用可行性分析

绳牵引并联机构(WDPR)能够有效调整飞行器模型的位姿,为扩展风洞试验能力提供了一种新型支撑手段,具有很大的应用潜力。本文将对其在高超声速风洞中应用所涉及的稳定性与气动干扰问题进行研究。以10°尖锥标椎模型为例,设计了8绳牵引的并联支撑系统,可以通过调整绳长控制模型的位置和姿态。模拟了气动载荷作用下支撑系统的稳定性,优化牵引绳直径。基于构建的三维模型,借助CFD软件进行气动计算,包括马赫数为7.8时,不同迎角下绳牵引并联支撑锥体模型的气动力系数,通过与无绳支撑结果以及文献试验数据进行比较,表明在小迎角情况下,绳系支撑引起的气动干扰相对误差较小,但会随迎角的增大而增加。此外,分别对弯刀支撑和绳牵引并联支撑进行了模态分析,对比了2种支撑的固有频率。结果显示绳系支撑固有频率较高,系统刚度较大。本文的理论研究成果可为绳牵引并联支撑技术在高超声速风洞中的应用提供一定的技术支持。     

日冕物质抛射的磁绳正演法及源区投影修正方法的讨论

利用磁绳正演法(forward modeling)研究了2007---2008年STEREO卫星观测到的21个结构清晰的日冕物质抛射(CME)事件, 得到这些CME事件在三维空间的运动速度; 与根据STEREO A星和B星观测速度进行源区投影修正得到的结果进行比较, 发现这种源区投影修正方法存在很大的局限性. 统计结果表明, 当CME源区在日面上的日心角距(CME源区和日心连线与观测点和日心连线的夹角)大于50o时, 修正速度与三维速度之间的差别不大; 当日心角距小于这个值时, 修正速度与三维速度差别明显, 尤其对于小日心角距, 相差甚大. 统计结果还表明, 当日心角距大于65o时, A星和B星得到的投影速度与三维速度相近, 投影速度可以作为CME的三维速度.      

空间绳系机器人捕获目标后的面内自适应回收方法

在空间绳系机器人(TSR)捕获目标星后,操作机构与目标星形成质量、惯量和系绳连接点位置等参数未知的组合体,且系绳长度、偏角与组合体姿态严重耦合,控制输入严格受限,回收控制十分困难。针对其回收难题,综合考虑系绳长度、系绳偏角与组合体姿态,利用拉格朗日法建立了轨道面内的动力学模型,并基于动态逆理论设计了一种自适应抗饱和回收控制方法。首先,在对组合体质量、惯量与系绳连接点进行在线估计的基础上,设计一种自适应动态逆回收控制器;然后,设计辅助变量对控制输入进行补偿,解决控制输入受限问题;最后进行仿真验证。仿真结果表明,在线估计器能够快速有效地估计组合体动力学参数,回收控制系统能够利用受限的控制输入克服抓捕时刻的系绳偏角和组合体姿态扰动,并沿设计的回收轨迹实现稳定有效回收。     

空间绳系机器人抓捕非合作目标的质量特性参数辨识

针对空间绳系机器人抓捕非合作目标/空间垃圾后需要对其进行回收/拖曳的精确控制问题,提出了一种利用抓捕后保持阶段的振动特性辨识目标参数的方法。首先,根据质量特性参数辨识的需要,推导了系统的动力学模型。不同于以往将本体卫星和被抓捕目标简化为质点的动力学模型,本文针对任意的目标抓捕位置,在考虑重力梯度影响的基础上,利用拉格朗日法获得系统各广义坐标的动力学公式。然后,分析非合作目标和系绳在后抓捕保持阶段的姿态运动。最后,在非合作目标与本体卫星没有任何信息交互的情况下,利用后抓捕阶段目标卫星和系绳特有的振动,并使用具有鲁棒性可遗忘因子的递推最小二乘法,提出了包括转动惯量和质心到任意抓捕点距离在内的质量特性参数辨识算法。     

空间绳系机器人单目视觉伺服控制系统

为解决空间绳系机器人近距离交会对接中的目标测量问题,设计了一种单目视觉伺服控制系统。该系统针对小模板在大场景中匹配时存在鲁棒性差、耗时长等缺点,采用了一种新的模板匹配算法。匹配模板借鉴FAST算法的空心圆环结构,使得算法具有旋转不变性,也减小了因背景变化引起的累积误差。同时匹配准则采用灰度值+梯度值的复合算子,具有较强的抗噪声和抑制光照变化的能力。为避免因错误匹配和遮挡等引起的跟踪失败,还设计了动态模板更新策略;最后结合最小二乘综合位置预测方法和PD控制器,实现了对复杂场景中的非合作目标的实时跟踪逼近。     

行星际磁场与磁尾磁通量绳形成的关系

收集了Cluster卫星在2001-2005年间观测到的磁尾磁通量绳事件,并对磁通量绳(magnetic flux rope)形成及其内部磁场结构与行星际磁场(IMF)的关系作了统计研究.考虑磁通量绳被观测到时行星际磁场的条件,在所有73个磁通量绳事件中,行星际磁场By分量占有主导地位的事件有80%,且78%的事件具有与行星际磁场By分量相同方向的核心场.行星际磁场通过在磁层顶与地球磁场相互作用改变南北等离子体片内磁场相对方向,形成有利于磁通量绳形成的磁场位形,并且行星际磁场By分量的方向对磁通量绳内部核心场的方向具有决定性影响.从统计结果来看,磁通量绳的形成并不会依赖于行星际磁场Bz分量的方向.     

反吸气式临近空间飞行器空基拦截弹制导律设计

临近空间高超声速飞行器的出现和应用,为传统防空系统提出了新的挑战。提出了一种反临近空间高超声速吸气式飞行器巡航段空基拦截方案,并设计了基于末角约束比例导引法的中制导律和空基拦截弹复合制导律。仿真结果表明,改进末角约束比例导引法能充分利用拦截弹中制导段过载承受能力,有效地加快了拦截弹达到期望末视线角的速度,改善了中末交班性能;所设计的拦截方案能够对典型机动目标实施有效拦截。     

随机扰动情况下绳系卫星状态保持阶段的最优控制

在考虑系绳弹性的情况下, 建立绳系卫星轨道面内运动的动力学模型, 并在系统平衡位置线性化, 得到绳系子星在随机扰动作用下的稳态保持状态方程. 引入基于卡尔曼滤波的状态估计方法和最优状态反馈控制策略, 提出了保持系统稳态运行的控制方法, 并以YES2空间系绳试验为参考模型设计了稳态保持控制系统. 分别在不考虑系绳弹性和考虑系绳弹性的系统模型下进行相应仿真分析, 结果表明所提出的控制方法能使系统具有良好的抗干扰性能, 系绳控制张力变化平缓且幅值小, 提高了系统状态保持阶段的可靠性和安全性. 同时系绳刚度系数的减小可使系绳纵向振动加剧, 但对横向摆动影响较小, 这为选取合适的系绳材料提供了理论参考.      

基于非线性模型预测的绳系系统系绳摆振控制

针对绳系系统离轨稳定控制问题,开展了系绳和绳端卫星构成的绳系系统在拖拽离轨过程中系绳摆动稳定控制方法研究。在考虑拖拽离轨过程中约束下,首先建立了包含绳端卫星的姿态运动的模型,并建立了绳系系统的离轨动力学方程和便于控制器设计的简化动力学方程。其次根据模型预测原理以最优化方法设计参考轨迹,最后以模型预测控制方法为基础设计了稳定系绳摆动的非线性模型预测控制方法。使用MATLAB软件平台仿真,验证了所设计的参考轨迹能完成目标和模型预测控制器有好的跟踪能力。