Optimal H∞ robust output feedback control for satellite formation in arbitrary elliptical reference orbits

A two degree-of-freedom signal-based optimal H_∞ robust output feedback controller is designed for satellite formation in an arbitrary elliptical reference orbit. Based on high-fidelity linearized dynamics of relative motion, uncertainties introduced by non-zero eccentricity and gravitational J2 perturbation are separated to construct a robust control model. Furthermore, a distributed robust control model is derived by modifying the perturbed robust control model of each satellite with the eigenvalues of the Laplacian matrix of the communication graph, which represent uncertainty in the communication topology. A signal-based optimal H_∞ robust controller is then designed primarily. Considering that the uncertainties involved in the distributed robust control model have a completely diagonal structure, the corresponding analyses are made through structured singular value theory to reduce the conservativeness. Based on simulation results, further designs including increasing the degrees of freedom of the controller, modifying the performance and control weighted functions, adding a post high-pass filter according to the dynamic characteristics, and reducing the control model are made to improve the control performance. Nonlinear simulations demonstrate that the resultant optimal H_∞ robust output feedback controller satisfies the robust performance requirements under uncertainties caused by non-zero eccentricity, J2 perturbation, and varying communication topology, and that 5 m accuracy in terms of stable desired formation configuration can be achieved by the presented optimal H_∞ robust controller. In addition to considering the widely discussed uncertainties caused by the orbit of each satellite in a formation, the optimal H_∞ robust output feedback control model presented in the current work considers the uncertainties caused by varying communication topology in the satellite formation that works in a cooperative way. Other new improvements include adopting a new method to more accurately describe and analyze the effects of the higher-order J2 perturbation, combining all the uncertainties into a diagonal structure, and utilizing a structured singular value to synthesize and analyze the controller.     

基于卫星自旋的纯引力轨道万有引力干扰抑制

一个称为“内卫星”的验证质量块位于外卫星的内部空腔中,不与外卫星接触而自由飞行,由于外卫星的屏蔽,其不受大气阻力、太阳光压等干扰作用,沿着纯引力轨道飞行。外卫星会对内卫星产生万有引力作用,是内卫星纯引力轨道的主要残余干扰。根据卫星相对运动动力学方程,建立了万有引力干扰对内卫星纯引力轨道影响的分析模型;基于将外卫星绕轨道面法向旋转以调制万有引力的策略,建立了外卫星自旋对万有引力干扰影响的抑制模型。以内编队纯引力飞行系统为例,对比计算了外卫星有无自旋时万有引力干扰对内卫星纯引力轨道的影响。基于模型的分析表明,外卫星自旋能够显著抑制万有引力干扰对内卫星纯引力轨道的长期影响;实例计算表明,万有引力干扰的天长期影响能够降低5~7个数量级。     

平均相对运动方程及其在卫星编队构型维持中的应用

针对近地轨道卫星相对运动过程中的周期变化特性,利用轨道周期平均方法给出了平均相对运动方程,并在此基础上设计了两种编队构型维持策略.首先,推导出以轨道根数差分表示的平均相对运动方程,该方程能有效消除相对运动的周期性变化.其次,针对大气阻力摄动和J2项摄动,利用轨道平均根数的线性化递推公式,给出了平均相对运动轨迹的预报方程,通过事先预报编队飞行的平均轨迹,为编队构型设计和保持控制提供参考依据.最后通过数学仿真对两种编队构型维持策略进行了验证.     

基于相对方位信息和单间距测量的多智能体编队协同控制

由多个载体组成的多智能体系统对复杂环境具有更高的适应性,能够完成传统单个载体无法完成的任务。针对多智能体编队集结与队形移动跟踪问题,提出了一种改进的多智能体编队协同控制新算法。首先,以拒止环境下跟随智能体仅能通过光学传感器测量相对方位信息为任务背景,针对"领导者——第一跟随者"结构的多智能体编队,提出了基于相对方位信息与单间距测量的控制器,使得第一跟随者智能体可以追随移动的领导者智能体,并且可以通过改变与领导者智能体的间距对编队整体队形进行缩放控制。其次,提出一种了改进的分布式控制律,使得其他跟随者智能体可以仅通过两个相对方位信息完成编队飞行。然后,根据Lyapunov第二方法,构建了系统的能量函数,验证了所提出算法的稳定性。最后,通过数值仿真实验对所提算法进行了验证。仿真结果表明,基于该控制律多智能体系统能够完成编队集结、队形缩放和编队飞行的任务。     

着水初始条件对水陆两栖飞机着水性能的影响

针对着水初始条件对水陆两栖飞机静水面降落性能影响的问题,使用非定常雷诺平均Navier-Stokes方程和标准k-ω两方程模型求解非定常流场,耦合流体体积模型捕捉自由液面,结合改进的流场域网格划分策略,并借助任意拉格朗日欧拉方法处理机体、网格和水气交界面三者关系。基于上述方法,探讨初始姿态角、下降速度和前飞速度对着水性能的影响,其中驾驶舱与重心位置加速度、气动力与水动力、俯仰角与吃水深度等参数变化被考虑在内,逐步得到最优着水初始条件。结果表明：增大初始姿态角有利于减缓飞机各位置除初次触水过载峰值外过载峰值的变化。当飞机俯仰力矩出现极值时,驾驶舱垂向过载显著大于其他方向和位置过载。减小初始下降速度,各加速度值也随之减小,值得注意的是重心垂向加速度值与初始垂向下降速度平方值存在线性变化关系。着水前飞速度的选取应使得气动升力略大于重力,飞机才能获得更佳的着水性能。     

耦合POD重构舰面流场的直升机舰面起降数值模拟

为解决舰面非定常流场数据量过大的问题,采用本征正交分解(POD)方法对舰面流场进行重构,发展了一种耦合POD重构流场的直升机舰面起降数值模拟方法。首先采用计算流体力学(CFD)方法计算舰面非定常流场,获得离散数据样本;然后提取流场的POD模态,并截取能够捕捉到原流场主要特征的少量模态对原流场进行重构;最后建立耦合重构舰面流场的直升机高阶飞行动力学模型。以直升机返航进场为例进行数值模拟,并将计算得到的操纵量和飞行状态与飞行试验结果进行对比。结果表明:使用POD方法重构后的舰面流场数据约为原始样本数据的8.5%,且重构流场与原始流场吻合良好,POD方法能够解决舰面非定常流场数据量过大的问题。与飞行试验数据的对比表明,本文方法捕捉到了舰面非定常流场对直升机的影响,可用于直升机舰面起降研究。     

多约束下备件多层多级库存优化模型

备件库存优化是提高装备保障效率和战备完好性的有效途径之一,针对目前部队现有多约束多层多级备件供应模式及工程实践要求的问题,以舰艇编队索马里护航任务准备阶段备件携带方案优化为研究背景,以舰艇保障经费、载荷和仓库体积为约束条件,以舰艇编队期望短缺数最小和可用度最大为目标函数,运用拉格朗日乘子法和边际效应法求出舰艇编队最优多层多级备件携带方案。通过实例将优化前后基地和后方仓库备件总的质量、体积及费用与对应约束指标上限进行对比分析,结果表明:本文模型和方法可以有效解决编队备件携带问题,同时也可为其他领域解决此类问题提供借鉴。      

考虑状态约束的二体旋转库仑卫星系统重构控制

研究考虑控制输入饱和与状态约束的深空旋转二体库仑卫星构型控制问题,只采用卫星之间的库仑力作为控制力,提出一种基于反步法的非线性控制方法。首先推导了二体库仑卫星在地-月系平动点附近的相对运动方程,利用旋转二体库仑卫星的特性,对方程进行了简化。为了完成禁止相对运动区域的回避,设计了新的状态限制辅助函数,结合抗饱和方法与反步法得到了二体库仑卫星的构型控制器。接着证明了由于状态限制辅助函数的加入,所设计的控制器可以保证卫星相对运动不超出限制范围。进一步应用Lyapunov稳定性定理证明了其闭环系统的一致最终有界性。最后在Matlab/Simulink平台上进行了仿真校验,结果表明了方法的有效性。     

Fixed-time position coordinated tracking control for spacecraft formation flying with collision avoidance

In this paper, the fixed-time stability of spacecraft formation reconfiguration (position tracking) is studied. Firstly, a novel nonsingular terminal sliding mode surface is designed and based on which a fixed-time coordinated controller is designed to keep the closed-loop system states have a finite settling time bounded by some predefined constants. Secondly, another nonsingular terminal sliding mode surface is designed by combining the artificial potential function and the aforementioned sliding surface, which meets the mutual distance constraint during transition process among spacecraft when it is bounded. Then another coordinated controller with fixed-time observer considering mutual distance constraint is presented, which guarantees the closed-loop system states stable also in bounded settling time. Finally, simulation results are shown to validate the correctness of the proposed theorems. It is worth mentioning that the control schemes also work even though there is a properly limit on the control input.     

大规模UAV编队信息交互拓扑的分级分布式生成

UAV编队信息交互拓扑的优化设计是保证UAV编队安全性和任务执行高效性的重要基础。目前队形保持下UAV编队信息交互拓扑生成算法局限于小规模编队,且优化目标单一。针对这一问题,采用了分级分簇结构扩展信息交互拓扑层级,以满足大规模场景,同时以提高编队续航能力和减少编队总通信代价为组合优化目标,提出了基于最小树形图的分级分布式领航-跟随者编队信息交互拓扑生成算法,并通过OMNeT++进行了仿真验证。实验结果表明在考虑位置误差传递迭代时,分级分布式领航-跟随者编队的总通信代价明显低于传统领航-跟随者编队,且通过周期性更新簇首,网络能耗更加均衡,提高了编队续航能力;在80架UAV编队规模下,分级分布式领航-跟随者编队生成算法能够在0.3 s内求解完成,相比于传统领航-跟随者编队算法,求解效率提高了约2.5倍;在100架UAV编队规模下,分级分布式领航-跟随者编队生成算法能够在0.4 s内求解完成,而传统领航-跟随者编队由于位置误差的传递迭代已不能保持原有队形。