编队飞行卫星三维定位系统的动力学和控制策略

提出应用多颗编队飞行小卫星实现的三维定位系统。首先建立精确动力学模型和摄动方程,然后进行数学仿真和估算三维位置精度,最后讨论位置保持控制策略。仿真结果表明:编队飞行三维定位系统定位精度高,不受纬度影响,而且可以实现全球同时定位功能。     

基于内模原理的椭圆轨道编队最优维持控制

 基于内模原理,针对椭圆轨道编队维持控制过程中存在的周期扰动问题,结合动力学方程的时变周期系数特性,设计具有干扰抑制功能的线性周期时变最优二次调节器。干扰内模的加入,使得系统响应在稳态时具有良好的控制精度,同时基于最优性原理的设计使得系统的瞬态响应过程满足某种最优性能指标要求。仿真结果表明,在椭圆轨道的编队维持控制器中引入部分干扰内模可大幅度提高维持精度。     

动力学解耦的改进直接力控制

 提出了一种动力学解耦的改进直接力控制技术,通过对传统直接力控制技术的改进,引入翼面气动力闭环控制回路,使空气动力学模型与刚体动力学模型分离,避免了空气动力学模型的不确定性和非线性耦合对控制系统的影响,并针对建模精度较高的刚体动力学模型进行动力学解耦和控制,在此基础上构建了分层递阶控制系统。根据翼面气动力可控特性分析结果,设计了基于广义逆的控制力分配算法,实现了控制力的有效分配,最后进行了仿真校验。仿真结果表明,基于逆动力学的直接力控制系统可以实现飞行器姿态运动和质心运动的解耦控制,并且具有较强的抗扰动能力和鲁棒性,具有良好的工程应用前景。     

碟形飞行器李雅普诺夫优化控制器设计

针对一类简单控制器实现的碟形飞行器变质量矩/推力矢量复合控制系统,通过转换,建立了关联控制系统,并基于李雅普诺夫优化设计方法,对碟形飞行器的控制器进行了设计。最后,将此控制方法应用于碟形飞行器全弹道飞行试验进行仿真。仿真研究表明,与传统的静态控制器设计方法相比,这种方法显示了巨大的优越性。     

椭圆轨道卫星编队飞行的最优控制研究

研究了椭圆轨道卫星编队飞行的队形保持问题,设计了李雅普诺夫(Lyapunov)控制律,并用遗传算法对控制律进行了优化。为克服遗传算法局部寻优能力差的缺点,对遗传算法进行了改进,设计了自适应模拟退火遗传算法。仿真结果表明,采用Lyapunov方法进行队形保持能提高位置保持的精度,且在经过遗传算法优化后,所消耗的燃料基本与线性二次型(LQR)方法一致;同时,减少了计算时间,有利于星上计算机的实现。     

Hybrid control of orbit normal and along-track two-craft Coulomb tethers

The dynamics and stability of a charged two craft formation with nominal fixed separation distance (Coulomb tethers) is studied where the cluster is aligned with either the along-track or orbit normal direction. Unlike the charged two-craft formation scenario aligned along the orbit radial direction, a feedback control law using inter-spacecraft electrostatic Coulomb forces and the differential gravitational accelerations is not sufficient to stabilize the Coulomb tether length and the formation attitude. Therefore, a hybrid feedback control law is presented which combines conventional thrusters and Coulomb forces. The Coulomb force feedback requires measurements of separation distance error and error rate, while the thruster feedback is in terms of Euler angles and their rates. This hybrid feedback control is designed to asymptotically stabilize the satellite formation shape and attitude while avoiding plume impingement issues. The effects of differential solar drag on the formation and the ability of the controller to withstand this disturbance is also studied.     

共面伴飞相对运动椭圆相位最省燃料控制问题

针对伴随微纳卫星资源受限,轨控需实现最省燃料控制的现实问题,基于Hill方程和二元函数极值理论,研究了共面编队伴飞卫星的最省燃料相位控制策略。分析结果表明：当需要改变的相位为锐角、ΔV<05nb横向控制对相对运动椭圆相位改变效率最高,ΔV=05nb|cosΘ|控后相位为相对运动椭圆左右点,同时将相对运动椭圆短半轴控小;以伴随卫星绕参考卫星共面伴飞相位控制为例,应用这一理论求解了控制策略。     

基于准则的大展弦比飞翼气动设计

从设计实际出发,为切实提高气动性能,开展了大展弦比飞翼无人机(UAV)的气动设计及分析研究.在设计分析过程中,依据飞翼无人机的特征,提出了气动设计准则;基于设计准则,采用更新设计的策略,结合变可信度数值模拟、代理模型优化方法构建了优化设计框架;针对飞翼无人机开展了参数化表达、无限插值网格自动生成以及多轮更新优化,得到了优化推荐构型;应用γ-Re_θt转捩模型方法对优化构型的气动性能进行了细致地验证分析.研究结果表明:通过气动设计,飞翼无人机设计构型很好地契合了设计准则,其巡航升阻比相比最初的原始构型提高了14%,γ-Re_θt转捩模型能较细致地分析大展弦比飞翼的流动特征.      

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.     

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。