共位衍射电磁航天器成像过程中的小推力控制 (新型推进系统控制专栏)

为了满足衍射成像系统在解决低轨遥感航天器覆盖范围小、目标重访周期长等问题的同时,而引入的航天器相对位置、姿态控制需求。针对共位衍射航天器相对位置、姿态控制过程中传统推力器带来的羽流污染问题,本文采用电磁推力器和飞轮作为执行器,设计一种基于快速非奇异滑模的轨道控制器和基于PID的姿态控制器。所设计的快速非奇异滑模轨道控制器为共位衍射航天器频繁位置调整提供控制保障,基于PID的姿态控制器能够消除由电磁力耦合产生的电磁干扰力矩。研究结果表明：基于相对轨道动力学方程设计的快速非奇异滑模控制律鲁棒性好、收敛速度快,能够达到两颗共位衍射电磁航天器沿z轴保持在10m相对距离的控制效果。在轨道调整过程中,其姿态能够通过PID算法稳定控制到期望姿态,使衍射成像结构一直保持不变,从而有效完成衍射成像任务。     

无速度反馈的航天器姿轨耦合跟踪控制

提出了一种无速度反馈的航天器姿轨耦合跟踪控制算法。首先建立起基于对偶四元数的带扰动和参数不确定性的航天器姿轨耦合动力学模型。然后基于浸入与不变流形理论设计了速度观测器,通过增益注入对非线性项抑制,从而同时估计角速度和线速度。利用李雅普诺夫函数分析了观测器状态量的收敛性以及注入增益的有界性,证明了该观测器的指数稳定性。最后设计了一个比例-微分（PD）位置与姿态跟踪控制器,该控制器可以实现航天器的任意姿态与位置跟踪,分析了这种观测-控制结构的闭环系统渐近稳定性。仿真验证了该速度观测器和控制器的有效性以及对于参数不确定性和测量噪声具有较好的鲁棒性。     

真北方位基准标定与惯导测试设备引北技术

为了标校惯导产品诸如寻北仪的真北方位,需要在室内建立真北方位基准,并把真北方位引入惯导产品和测试转台等设备。主要探讨了真北方位基准标定和设备引北的有关实用方法,例如：基于双测站的天文定向、基于同步网的GNSS定向、经纬仪对向观测方法,并给出了综合运用这些方法的技术措施和适用性,以及典型实例。20年来,这些技术已在所完成的上百个此类项目中得到了成功运用,实测结果稳定;利用双测站的天文定向方法,通过两站方位传递,一般观测3~6测回,在良好的观测环境下,一般可获得高于经纬仪标称精度的定向结果。     

重力姿轨耦合效应引起的太阳能电站轨道共振

以任意相控阵天线式空间太阳能电站为研究对象,主要研究了其在轨运行过程中受到的重力姿轨耦合效应对其轨道运动的影响。首先,通过Hamilton原理建立起考虑重力姿轨耦合效应时的姿态运动和轨道运动的方程。其中,任意相控阵天线式空间太阳能电站被简化成刚体,它的重力势能以其结构尺寸和其轨道半径的比值为小量进行泰勒展开,并保留至二阶项。之后,采用解析的方法对方程进行分析,并发现当电站的姿态运动满足一定条件时,其轨道运动将会出现共振现象。此外,重力姿轨耦合效应还会引起空间太阳能电站轨道运动长期的漂移,通过选择合适的轨道运动初始条件可以消除漂移;而且,在一定条件下,重力姿轨耦合效应还会引起轨道运动的发散。最后,数值仿真结果验证了分析的正确性。     

对称负重合型气动伺服阀零位流动状态分析

针对负重合型气动伺服阀(PSV)零位特性设计缺少理论依据问题,根据单个节流口的气体质量流量公式建立起气动伺服阀滑阀级的数学模型,采用假设求证法分析了零位时气体流经上、下游节流口的流动状态与影响因素之间的关系。结果表明在不同供、排气压力比下,负重合量不均等系数小于0.5283的气动伺服阀有3种可能的零位流动状态,即上、下游节流口均为亚声速流动,或者均为声速流动,或者上游节流口为声速时下游节流口为亚声速流动;负重合量不均等系数不小于0.5283的气动伺服阀有两种可能的零位流动状态,即上、下游节流口均为亚声速流动,以及上游节流口为亚声速时下游节流口为声速流动。可知气动伺服阀的零位流动状态由负重合量不均等系数与供、排气压力比共同决定。以负重合量不均等系数分别为0.5、1、2的气动伺服阀为例进行了计算和实验验证,实验结果与理论分析相吻合。     

失效卫星远距离相对位姿估计与优化方法

针对远距离非合作慢旋目标位姿估计精度问题,提出一种融合图像超分辨与视觉SLAM的相对位姿估计方法。算法主要包含3个步骤：通过梯度引导生成式对抗超分辨技术,提升目标图像的质量以获取更多更高质量的特征点;构建特征数据库实现当前帧与特征数据库的匹配,提升旋转目标的特征跟踪稳定性;利用图优化对多帧图像进行联合位姿优化,消除累计误差,得到更为精确的估计结果。为稳定网络的训练,将自然进化算法引入到对抗训练中。为增强模型的泛化性和鲁棒性,实验中的数据集采用半物理仿真获得。实验结果表明,当等效距离为25 m且失效卫星以25（°）/s的速度旋转时,目标图像经超分辨网络增强后,能够实现连续稳定的长时间测量。     

SE(3)上航天器姿轨耦合固定时间容错控制

针对相对运动航天器姿轨一体化控制问题,考虑执行器故障和控制输入饱和的影响,提出了一种基于滑模的模糊自适应固定时间容错控制方法。首先,在李群SE（3）的框架下建立并推导相对运动航天器姿轨一体化误差动力学模型;其次,引入执行器故障和控制输入饱和的问题,采用双幂次快速终端滑模面,并结合模糊自适应方法设计了固定时间稳定的容错控制器,可以实现执行器故障情况下相对运动航天器的高精度快速跟踪控制;然后,运用Lyapunov方法证明了系统的稳定性,该控制器不仅能不依赖于系统的初始状态实现滑模趋近和到达阶段的固定时间稳定性,而且由于采用模糊逼近方法结合自适应更新策略可以实时高精度地估计系统的总扰动信息,因此可以达到快速高精度的容错控制目标;最后,对所提出的的控制方法进行数值仿真分析,结果验证了该方法的有效性和可行性。     

单目-无扫描3D激光雷达融合的非合作目标相对位姿估计

针对传统的利用单一视觉传感器难以实现复杂非合作空间操控导航的问题,提出一种基于单目相机与无扫描三维激光雷达融合的非合作目标相对位姿估计方法。首先,设计了基于成像几何关系的单目纹理-非扫描距离图像的快速配准与融合方法;之后,在构建目标同步定位与建图（SLAM）贝叶斯滤波模型基础上,提出一种扩展卡尔曼滤波-无损卡尔曼滤波-粒子滤波联合的滤波估计算法,可实现尺度模糊下相对位姿的快速鲁棒估计;其次,针对估计中的尺度模糊问题,提出基于融合图像的全局尺度系数确定方法,将尺度系数估计问题转化为简单线性滤波问题。基于OpenGL生成的2D/3D图像实验表明：所提出的方法具有较优的精度和鲁棒性;相对位置估计误差与尺度估计误差相关,二者近似成线性正比关系。     

对空间碎片的相对位姿估计

针对几何、质量特性参数均未知的空间碎片,提出一种基于扩展卡尔曼滤波（EKF）的相对位姿估计算法。该算法以单目相机获得的目标图像特征视线信息作为测量输入,以目标姿态、姿态角速度、惯量比、相对位置、相对速度和特征位置作为滤波状态。对算法进行可观性分析,给出两个可以保证算法可观性的条件。分别针对不同条件进行数值仿真,仿真结果表明新算法能够对几何和质量参数未知的空间碎片进行有效的相对位姿 估计。     

非质心特征点相对位置和姿态估计方法研究

卫星编队飞行中,从星星体上偏离质心的任意特征点,其相对位置和相对姿态运动耦合。本文针对任意点的相对状态估计问题,推导了耦合相对轨道动力学方程和无陀螺相对姿态动力学方程,并且基于PSD敏感器对主星上点光源的视线测量值,提出了基于特征点耦合动力学和质心传统动力学的两种相对状态估计策略。针对每种策略分别设计了EKF和UKF两种滤波算法对相对状态进行估计。最后通过数学仿真对算法的有效性进行了验证,并对其计算量进行了分析。结果表明,四种算法均能对特征点的相对状态进行较高精度的估计。