解析求解非线性相对运动的最优重构问题

椭圆轨道相对运动模型的线性化导致其在大尺度相对运动应用中精度不能满足需求。针对任意椭圆轨道上的大尺度航天器编队最优重构问题,提出一种基于椭圆轨道非线性相对运动模型的近似解析求解方法。首先通过变分法建立了非线性最优重构问题的数学模型;然后采用摄动法,以偏近点角为积分变量求得了不含特殊积分的解析开环最优控制,有效地避免了真近点角域下最优控制解所含有的特殊积分。仿真验证了所求最优控制的有效性和优越性,结果表明在相对运动尺度较大时,相比基于椭圆轨道线性化模型的最优控制,在燃耗保持相近的情况下,所求非线性控制有效地降低了重构误差。     

编队卫星防碰撞规避路径规划方法与控制研究

针对编队卫星在构型重构和构型失效重组时发生碰撞可能性最大的两种机动工况,采用数学规划的方法对其进行防碰撞规避准则、规避策略和控制方面的研究;并通过系统可控性证明出无径向推力相对于全向推力,也可以达到目标相位点只是燃料消耗得多。对编队构型失效重组工况中备份星机动前停泊位置,进入编队位置选择和启动时刻选择以及故障星离开编队后,目标轨道确定等问题通过数学仿真的形式予以解答。仿真结果表明,该研究方法真实可信、简便有效。     

小展弦比飞翼布局作战飞机偏航轴飞行品质评定

依据MIL—STD—1797A飞行品质规范,对小展弦比飞翼布局作战飞机的偏航轴飞行品质进行了评定研究。评定结果表明：由于构型的原因,飞翼布局飞机本体的稳定特性和阻尼特性都较差,因此飞行控制系统对其动态响应特性的调节作用更加明显。稳态配平特性主要受构型的影响,飞翼布局飞机一般不能完全满足飞行品质的要求。由于可控性的设计要求需采用多操纵面的组合操纵,控制分配技术导致某些现有的品质准则需要修改。小展弦比飞翼布局飞机取消了垂尾（方向舵）并采用了新型操纵面（ICE）,在某些情形下对偏航轴操纵效能的需求与常规飞机相比存在较大的差异。总之,在飞翼布局作战飞机的构型设计、飞控系统设计以及飞行品质评定条款的制定、实施中,均需考虑这些新的飞行品质特性。     

圆轨道航天器八面体编队构型轨道动力学分析

提出一个全新的八面体航天器编队构型,该构型体现出当前编队飞行多种轨道构型的特征,同时也适于作为空间演示试验的编队飞行模式。八面体编队构型的设计思路是基于C-W方程,轨道平面内沿航向编队构型可利用轨道动力学自然保持,正上方或正下方编队构型则需要依靠平面内控制来实现,垂直轨道平面的编队构型需要施加法向控制来实现。对基于C-W方程的悬停动力学模型进行了精度分析,最后以低轨道航天器的八面体编队构型为例进行了数学仿真验证。     

两步法快速解算编队卫星GPS模糊度

为克服卫星编队飞行实时相对定位中双频模糊度解算速度慢的缺点,结合扩展Kalman滤波(EKF,Extended Kalman Filter),首先采用少数个历元(如10个)相位平滑伪距相对定位结果与 L₆的平均值对滤波初始化,再根据两步法解算双频模糊度,即先解算并正确固定宽巷模糊度,获得较准确的基线分量估值,然后采用选权拟合方法,将基线分量作为约束条件解算并固定双频模糊度.仿真算例计算结果表明,当宽巷模糊度正确固定后,编队卫星间相对定位误差在5cm以内,两步法可以在较短时间(约3min)内固定双频模糊度,为精确解算编队卫星的相对状态提供保障.     

Spacecraft formation flying: A review and new results on state feedback control

This paper presents a review of previous work within the field of spacecraft formation flying, including modeling approaches and controller design. In addition, five new approaches for tracking control of relative translational motion between two spacecraft in a leader–follower formation are derived. One PD controller with feedback linearisation is derived and shown to result in an exponentially stable equilibrium point of the closed loop system. Four nonlinear controllers are derived and proved by using Lyapunov theory and Matrosov's theorem to leave the closed loop system uniformly globally asymptotically stable. Results from the simulation of the system with the derived controllers are presented, and compared with respect to power consumption and tracking performance.     

Novel closed-loop approaches for precise relative navigation of widely separated GPS receivers in LEO

This paper deals with the relative navigation of a formation of two spacecrafts separated by hundreds of kilometers based on processing dual-frequency differential carrier-phase GPS measurements. Specific requirements of the considered application are high relative positioning accuracy and real-time on board implementation. These can be conflicting requirements. Indeed, if on one hand high accuracy can be achieved by exploiting the integer nature of double-difference carrier-phase ambiguities, on the other hand the presence of large ephemeris errors and differential ionospheric delays makes the integer ambiguities determination challenging. Closed-loop schemes, which update the relative position estimates of a dynamic filter with feedback from integer ambiguities fixing algorithms, are customarily employed in these cases. This paper further elaborates such approaches, proposing novel closed loop techniques aimed at overcoming some of the limitations of traditional algorithms. They extend techniques developed for spaceborne long baseline relative positioning by making use of an on-the-fly ambiguity resolution technique especially developed for the applications of interest. Such techniques blend together ionospheric delay compensation techniques, nonlinear models of relative spacecraft dynamics, and partial integer validation techniques. The approaches are validated using flight data from the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) mission. Performance is compared to that of the traditional closed-loop scheme analyzing the capability of each scheme to maximize the percentage of correctly fixed integer ambiguities as well as the relative positioning accuracy. Results show that the proposed approach substantially improves performance of the traditional approaches. More specifically, centimeter-level root-mean square relative positioning is feasible for spacecraft separations of more than 260 km, and an integer ambiguity fixing performance as high as 98% is achieved in a 1-day long dataset. Results also show that approaches exploiting ionospheric delay models are more robust and precise of approaches relying on ionospheric-delay removal techniques.     

基于分段常值推力的水滴悬停构型控制策略

针对航天器编队飞行任务对相对运动控制的要求,研究了在分段常值推力控制下航天器受迫绕飞构型的设计与控制问题。首先,基于脉冲控制下的水滴悬停构型,提出了多段常值推力控制实现水滴悬停构型的打靶方程;将打靶方程转化为求解极值问题,采用最小二乘法来求解;分析了一段常值推力可行性。然后,以连续常值小推力控制方程为基础,推导了小邻域定理,分析了近距离相对运动条件下两段常值推力控制的可行性;针对可能出现求解精度差的问题,提出了小推力增量方程来修正精度,并证明在靠近理想解的情况下多次迭代可以趋近于理想解。最后,通过数值仿真实现常值小推力控制下的水滴悬停相对运动。数值仿真结果表明常值小推力控制策略可行,研究成果完善了航天器受迫绕飞构型设计与控制的相关理论,为工程应用提供参考。      

基于双模式驱动的飞行汽车起飞阶段动力匹配分析

针对折叠翼飞行汽车起飞阶段的动力匹配问题,研究了基本的动力控制策略,通过理论计算分析了起飞阶段双模式驱动特性,提出了最佳切换时刻的概念。对某型飞行汽车传动系统进行了动力匹配计算,并以该飞行汽车参数为基础,在Simulink中建立了不同工况下的行驶仿真模型,对起飞阶段行驶状态进行了仿真分析,给出了基于双模式驱动的动力匹配方案以及最佳切换时刻的选取原则。计算结果表明,通过采取双模式驱动,起飞加速时间缩短22%,起飞滑跑距离缩短13%。进一步对传动系统参数、整车设计参数以及发动机输出特性进行了优化分析,分析计算结果给出了各参数变化对起飞动力性能的影响。      

一种预测驾驶员操纵行为的建模方法

在飞机设计中,应用驾驶员数学模型预测飞机飞行品质是避免人机系统出现不良耦合的重要途径之一.驾驶员神经网络模型是利用飞行模拟实验数据建立的驾驶员模型.基于该模型,针对纵向单通道俯仰跟踪任务,详细讨论了具有不同增益、不同短周期振荡频率飞机构型的驾驶员操纵行为变化规律.研究结果表明:对于特性相似的飞机构型,其驾驶员操纵特性也相似.因此,提出了一种利用相似构型的驾驶员操纵行为特性建立驾驶员预测模型的方法.通过对预测模型进行精度评价,可以证明采用本方法能够获得比较满意的驾驶员操纵行为特性预测结果.