基于冲量法实现航天器编队重构控制仿真的研究

针对航天器编队重构的可视性不强,提出一种冲量法实现航天器编队重构的视景仿真技术。双脉冲机动是指航天器对空间目标的近轨道转移时,所需要的两次冲量机动。应用航天器之间相对运动原理,以空间目标轨道六要素为目标函数,通过调整航天器轨道参数对空间目标进行编队重构,有摆动绕飞转移至摆动式悬挂绕飞,进而得出了航天器转移摆动式悬挂绕飞编队到所需冲量基本关系,从而实现航天器对空间目标进行编队重构控制。     

线性二次型及模型预测控制编队控制研究

多智能体集群作战是未来战场的重要形式。作为集群作战中的关键技术,编队控制有着广泛的应用。以编队控制律为研究目标,选择2种优化控制方法:线性二次型调节器(linear quadratic regulator,LQR)方法和模型预测控制(model predictive control,MPC)方法。针对圆形编队轨迹,采用二阶动力学模型,基于相似一致性算法,在二维平面上仿真4个智能体绕轨迹中心旋转的编队运动场景,探究2种优化控制方法仿真效果。结果表明模型预测控制相比线性二次型调节器控制收敛速度更快,控制稳定性更高,侧向误差更小。增加侧向加速度补偿之后编队智能体在模型预测控制的作用下,圆形轨迹侧向追踪误差大幅度降低。     

利用数值优化技术设计周期性绕飞的编队轨道

考虑非线性和椭圆参考轨道等因素,选择编队卫星周期性绕飞的初始条件,设计自然周期性绕飞轨道,对长期编队飞行是十分必要的。然而利用Hill方程确定初始绕飞条件,设计长期编队飞行的轨道,具有很大的误差。本文在考虑非线性和椭圆参考轨道等因素的条件下,利用数字优化技术寻找周期性绕飞的初始条件,设计不消耗任何燃料的编队卫星轨道。优化的结果可用来研究周期性绕飞轨道必须满足的条件,加强对编队机理的认识。数值仿真结果验证了优化结果的正确性和有效性。     

四层梯阶控制在卫星编队的应用仿真

研究了四层阶梯控制在卫星编队的控制问题及仿真。利用卫星相对运动的线性方程组和轨道机动算法的基础上,结合卫星任务规划、行为决策、行为规划和操作控制的四层阶梯卫星编队结构,从而建立建立卫星编队绕飞半径的滤波控制。仿真结果表明了四层阶梯控制在卫星编队在上对运动过程中,缩小卫星之间相对距离变换范围,增强卫星编队的稳定性。     

基于Hill方程的编队卫星群运动分析与轨道设计

从Hill方程出发 ,研究了绕飞轨道的性质及编队卫星群的轨道设计方法。从三方面对绕飞轨道进行了描述 :坐标平面投影 ,与坐标平面的夹角 ,绕飞轨道根数。编队卫星群的轨道设计分两步进行 :先求基本环绕卫星的轨道根数 ;再求其它环绕卫星的轨道根数。仿真结果表明 ,此方法适用于编队飞行的初步设计     

遥操作交会对接轨道共享控制策略

由于时延和测量、控制偏差的影响,环月轨道遥操作交会对接最终平移段的轨道控制面临诸多问题。针对这些问题,对遥操作交会对接共享控制策略进行研究。运用相对轨道动力学方程构造遥操作交会对接的数学模型,在此基础上推导时延条件下的预显示模型。在考虑可控边界的条件下构造对接安全走廊,提出基于改进人工势场的自控方法,势场函数将航天器与安全走廊的相对距离和逼近速度作为参考量。结合操纵人员的手动控制操作特性,推导共享控制的权重系数,形成共享控制策略。在九自由度遥操作交会对接半实物仿真平台开展仿真试验。仿真结果表明:相比于采用自动控制和手动控制方式而言,共享控制方式能有效克服时延的影响,显著提高环月轨道交会任务对接精度和成功率,改善环月轨道遥操作交会对接控制性能。     

地球静止轨道航天器绕飞持续观测任务轨迹规划与控制

针对地球静止轨道(geosynchronous orbit, GEO)航天器的高清观测任务,成像卫星在连续小推力作用下接近GEO航天器,对GEO航天器自然绕飞并以有利的光照条件对其持续观测。针对Clohessy-Wiltshire (CW)方程的偏差问题,通过修正非球形摄动和重力加速度二次长期项偏差对CW方程进行改进,补偿非线性偏差的长期项和主要的摄动项。在轨迹规划问题上,计算绕飞轨迹的初始相位角区间,以保证成像卫星在整个绕飞任务中都能够以良好的观测角观测GEO航天器。基于CW方程和改进的CW方程对成像卫星接近和绕飞GEO航天器全过程进行仿真,基于CW方程的仿真没有达到预期目标;基于改进的CW方程的仿真达到预期目标,全过程所需施加的总速度增量仅为4.67 m/s,工程上具有很强的可行性。     

一种新的航天器相对导航视觉方法

研究了基于单目视觉的航天器相对导航方法,基于线性投影原理,建立包含图像特征与导航信息之间关系的非线性方程组。将非线性问题转化为最优化问题处理,针对该问题构建了目标函数,采用拟Newton方法解算该优化问题。进行了数值仿真,验证了该相对导航算法的有效性。     

基于组合机动的共面绕飞卫星队形保持研究

共面绕飞卫星的相对运动轨迹是一个椭圆,由于卫星受摄动力影响,其编队构形会发生变化.提出一种基于组合机动的队形保持策略,即在Hill轨道坐标系中,通过测量绕飞卫星相对位置,利用切向脉冲推力与径向连续常推力进行组合控制,消除相对运动椭圆中心的相位漂移.考虑地球扁率J2项摄动的影响,在队形保持中引入J2相对摄动加速度以提高控制精度.仿真结果表明,该控制方法能对共面卫星编队的空间构形进行有效保持.     

基于样条滤波的航天器相对运动检测方法

近距离相对运动检测在交会对接、航天器随动抓捕等领域有着重要的作用。基于三状态样条滤波算法,对接近航天器的运动状态进行实时预报并对其机动进行检测。首先构建两航天器的相对动力学模型并将其应用于三状态样条滤波算法中,通过检测滤波新息来对目标机动发生或消除进行判断,最后利用一个双脉冲交会的实例进行了仿真分析。仿真结果表明,该方法具有较高的精度和检测效率。     

大椭圆轨道航天器四面体编队运动分析与设计

若干正处于计划或实施中的空间物理测量任务较多采用运行于大椭圆轨道上的四面体航天器编队协同完成任务轨道段内地球磁层结构和动力学现象的分布式测量与分析。采用基于轨道根数的相对运动模型,分析了参考轨道根数对四面体性能指标——质量因子和平均边长的影响;假设某一航天器运行于参考轨道,提出了以其他三个航天器的15个相对轨道根数为设计变量,目标函数兼顾质量因子和平均边长的四面体优化设计方案,并将其应用于第一阶段MMS任务的四面体构形设计中。仿真结果表明,在不考虑摄动和控制的前提下,通过优化可以得到任务轨道段内四面体性能保持较优的轨道设计方案。     

基于微分几何与李群的无人机编队会合方法

在领航-跟随编队模式下,设计了一种基于追缉策略的无人机编队会合方法。首先,基于微分几何曲线论和弗雷涅-塞雷标架建立了无人机非解耦三维运动模型,其中将曲率和挠率作为控制量;结合该模型给出了无人机三维编队会合问题的数学描述,它将导弹制导问题中的终端落角约束映射为编队会合问题中僚机的航迹倾角约束,同时引入额外的航迹方位角约束;然后使用特殊正交群的元素来度量长僚机方向偏差,并通过局部坐标映射将其映射为对应李代数空间中的旋量;接着,基于该旋量设计了编队会合几何导引律,并给出相应的曲率和挠率控制指令;最后,分别在长机稳定平飞和转弯机动条件下进行了多机编队会合数字仿真实验,仿真结果显示僚机能够有效地跟踪长机航向并收敛至指定位形,说明了方法的有效性。     

基于压缩传感的PSO-OMP重构算法的研究

由于粒子群算法具有解决寻优问题的能力,将其应用于信号处理领域,提出了一种新的基于PSO-OMP的信号重构算法。为了降低计算复杂度,把粒子群算法运用在正交匹配追踪算法的匹配过程,以此来确定最优原子。实验结果表明,所提出的新的基于PSO-OMP的信号重构算法具有计算复杂度低和重构成功概率高等特点。     

基于珠式模型的绳系卫星安全交会过程建模与仿真

安全交会是绳系卫星空间应用的一个重要拓展。为满足安全交会的高精度需求,考虑重力、拉力和阻尼力的作用建立了绳系卫星系统三维珠式模型。讨论并选择了一种匀速-匀减速展开策略,推导得到平衡位置零相对速度条件下的安全交会末端约束,在此基础上基于反馈线性化基本原理设计了一种子星喷气推力的安全交会控制律。数值仿真基于低轨道和地球同步轨道条件来进行,4个算例的仿真结果验证了珠式模型条件下,匀速-匀减速展开策略及反馈线性化交会控制律的理论可行性,且交会控制力需求表现为同步轨道低于低轨。该方法可为绳系卫星精确交会技术提供一定参考。     

航天器近距离交会斜滑制导算法

提出了满足测量视场、最小脉冲间隔、最大脉冲受限等约束的燃料最省的航天器近距离交会多脉冲斜滑制导算法.建立了近距离交会(接近和撤离)多脉冲斜滑制导算法的统一数学模型;提出了理想交会轨道距离和速率的指数函数变化关系,使得算法能够实现任意时间的近距离交会,同时满足接近操作减速和撤离过程加速的任务要求;设计了对数函数映射法进行脉冲寻优.最后通过接近段和撤离段的操作仿真算例进行验证,仿真结果表明,相比最优化方法,对数函数映射法以较小的计算量实现了较好的寻优效果;算法能够以较省的燃料消耗实现轨道面内任意方向、任意时间内满足约束的近距离交会.     

航天器交会中的多圈Lambert问题研究

针对大椭圆轨道追踪器固定时间直接碰撞交会问题,介绍了一种快速确定多圈Lambert问题最优解的新方法。研究了多圈Lambert转移解,分析了转移时间与转移轨道参数的关系;研究了无时间约束最优直接碰撞交会及其必要条件。仿真表明:最优解快速确定方法有效、可行,并可提高计算效率。     

无人机规避或跟踪空中目标的自适应运动导引方法

无人机规避或跟踪空中目标可以看作是一个非线性运动导引控制问题。针对这类任务中无人机和目标存在高机动性、高时敏性等特点,提出了一种基于Lyapunov稳定性理论的无人机规避或跟踪目标运动导引方法。构建了基于精细时间运动导引方法的无人机规避或跟踪空中目标问题求解框架,并将无人机碰撞规避和机动目标跟踪问题分别转化为到达虚拟目标点和与虚拟目标点交会的问题。针对碰撞规避问题,将其转化为实现平行导引的控制问题,基于Lyapunov稳定性理论设计了无人机碰撞规避导引律。针对机动目标跟踪问题,在碰撞规避基础上,根据目标点交会的要求设计了相应的目标跟踪导引律。在Gazebo平台上开展了仿真验证实验,实验结果表明:所提方法能够有效避免大过载情况的出现,并具有较强的时变和参数适应性。     

单航天器无需变轨与Walker星座多星交会的充分条件及特性分析

以Walker星座为研究对象,对单航天器无需变轨实现多星交会的问题展开研究。从Walker星座相位同构特性出发,得到了单航天器无需变轨能够对多颗星座卫星交会的充分条件,对交会的星座卫星的数目和星座卫星组合等问题进行了研究。在此基础上,提出了利用解析法求解交会轨道的轨道设计方法,并对交会轨道的特性进行了分析。对交会更多星座卫星(大于3颗)的可能性展开了讨论。研究结果可为单航天器无需变轨对星座多星交会提供理论依据。     

利用分数抽头均衡器快速定时同步

建立了分数抽头均衡器(FSE)与定时同步相结合的信号模型,分析了定时误差对于均衡性能的影响,提出了一种新的基于FSE的快速定时同步算法。在未知参考序列相位的情况下,利用循环均衡快速收敛并建立同步。在相位跟踪阶段,利用抽头增益跟踪定时相位误差,通过对采样数据进行抽取或插值以及均衡器抽头的移位操作控制相位误差。仿真表明,该算法能在长度为均衡器抽头数的符号周期内快速建立同步,通过采样率的选择可以精确地控制定时相位误差。