遥操作交会对接系统研究

遥操作交会对接是指操作人员在远端通过遥操作方式控制追踪航天器进行交会对接,主要用于无人航天器自动交会对接系统故障条件下平移靠拢段的交会对接控制.简要介绍了遥操作交会对接的基本概念及其国内外研究现状;结合我国载人航天工程的基本特点,设计了适用于我国未来空间站任务的遥操作交会对接系统;根据设计的系统方案,设计和开发了相应的遥操作交会对接仿真系统,并进行了部分仿真分析和遥操作交会对接试验,初步验证了设计方案的可行性.     

交会对接中雷达测量信息的最优估计

基于目标飞行器与追踪飞行器交会对接这一应用背景,对于追踪飞行器上交会雷达对目标飞行器的原始测量信息(斜距、方位角、俯仰角,甚至径向速度),通过建立适当的目标模型以及观测方程,很好地对2个飞行器的非线性相对运动规律、追踪飞行器绕地球高动态旋转特性、追踪飞行器姿态偏差进行了补偿或修正,实现了最优估计,并通过仿真进行了验证。     

13天,创造中国航天新记录——我国首次载人交会对接任务全景扫描

正天宫一号与神舟九号成功实现载人交会对接,并安全返回,13天的时间内创造了6项新记录,这是中国航天之路的新高度,也是中华民族复兴之路的新跨越。天宫一号与神舟九号载人交会对接任务的圆满完成,为中国人的飞天梦想又掀开新篇章。从6月16日18时37分发射升空到6月29日10时许安全返回,在这13天的时间内,中国航天创造了6项新记录:首次实施航天员手控交会对接、首次考核飞船手动控制系统、首次进行航天员访问在轨飞行器、首次实现地面向在轨飞行器进行人员和物资的运输与补给、首次考核天宫一号支持保障航天员工作生活的能力、首次将女航天员送上太空。这是中国航天之路的新高度,也是中华民族复兴之路的新跨越。     

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。     

基于循环追踪算法的编队航天器交会控制

采用循环追踪算法解决编队航天器交会控制问题。建立并推导了线性循环追踪算法和非线性循环追踪算法数学模型,提出了绕飞平面采用循环追踪控制,绕飞平面法向采用比例微分进行振动抑制的编队交会控制律。基于脉冲推力方式,对绕飞平面分别采用线性和非线性循环追踪的三航天器编队交会控制问题进行了仿真分析。仿真结果表明,提出的基于循环追踪的控制方式可满足编队航天器交会控制要求,航天器按顺时针运行轨迹交会于初始位置决定的参考中心,三航天器间相对距离、相对运动速度变化趋势基本一致,速度增量消耗较小,为航天器编队构形控制研究提供有益参考。     

中国航天的新高度——神舟八号与天宫一号实现首次交会对接纪实

继掌握载人天地往返、航天员出舱活动技术之后,随着神舟八号飞船和天宫一号目标飞行器完成首次＂太空相拥＂,中国航天人突破了载人航天三大基础性技术的最后一项——空间交会对接技术。这是中国载人航天的崭新高度。     

测控通信系统：为神九与天宫对接导航

神舟九号最令人关注的是载人交会对接,但是,无论是自动交会对接还是手控交会对接,都要在测控通信系统的支持下完成。神舟九号与天宫一号的载人交会对接任务取得圆满成功,测控通信系统是最重要的支持与保障系统。相对无人交会对接,首次载人交会对接任务对测控系统建设的要求有什么不同？系统设计上着重进行了怎样的优化与完善？神九飞天,是不是因为有航天员在太空驾驶飞船与天宫一号对接,测控通信系统的作用就没有那么重要了？     

我国首次空间交会对接任务路线

浩瀚太空,再次书写中国航天新传奇。神舟八号飞船与天宫一号目标飞行器成功实现交会对接,我国在突破和掌握空间交会对接技术上迈出重要一步。从无人实验飞船到模拟载人飞行,从单人单天到多人多天,从太空出舱行走到航     

飞行器交会对接中基于滤波方法的传感器故障诊断处理

针对两个空间飞行器交会对接过程中追踪飞行器上的各单个测量传感器,探讨了其基于滤波方法的动态过程故障诊断及相应的处理,并特别针对目标相对于传感器的最大机动指数较低的情况,分析了相应的故障诊断及处理方法。     

“阿波罗”宇宙飞船的指挥服务舱与登月舱上升级的交会

在宇航员完成在月面逗留之后,按照“阿波罗”计划考虑有登月舱的机动上升级与指挥服务舱的交会和对接。登月舱的上升级具有交会雷达,它是用于获得导引系统的输入参数,并用来监视和与应急导引系统一起工作。当出现需要保证援救登月舱上升级时,指挥服务舱必须变为可机动的宇宙飞行器。指挥服务舱的导引系统装有28倍放大率的六分仪,以及用于对接的,沿各固联轴定向的,刻有瞄准线的准直仪。利用登月舱上升级的光学瞄准来校正存储于宇航员舱的计算器内的相对位置向量。 “双子星座”计划的飞行试验表明,对于交会阶段而言,目标的亮度、飞行相位角和在末端由宇航员监视导引和减速过程在确定飞行器的控制性和交会所需要的推进剂裕量时是重要的。为了研究这些问题曾进行了在“阿波罗”船员舱内具有宇航员参加的相似——数字模拟试验,此时过渡的中心相位角为140°。特别研究了在宇宙飞行器位移加速度、相对位置向量信息的误差和在变化目标——追踪器高度差时为了交会所需的推进剂量之间的关系。 结论是在上述准则和对宇航员负担两种交会方案工作量的基础上确定的。在第一情况中,一位宇航员位于指挥服务舱内,并控制与登月舱上升级交会,而在第二种情况中,由3名宇航员在近地轨道上来实现与连接有登月舱的《土星——5     

基于Theta-D次优控制器设计的相对姿轨耦合控制

针对在轨服务航天器的快速机动和姿轨协同控制的特点,研究了基于姿轨耦合一体化模型的最优控制方法。建立了包括转动和平动的六自由度相对运动耦合非线性模型,连续偏心推力矢量既可以提供位置控制力,也可以输出姿态控制转矩。利用动态模型线性化方法和θ-D构造性优化算法给出相对运动姿轨耦合最优控制问题的数值解法,同时控制服务航天器相对位置和相对姿态,使其直线逼近一个失效慢旋目标。仿真结果证明,由于在动态优化问题中采用了构造性求解,所提方法在保证相对运动稳定和动态性能的前提下计算量小,对未来应用具有一定现实意义。     

解耦的三轴气浮台非线性模糊变结构鲁棒控制问题

针对飞行器全物理仿真三轴气浮台这一具有不确定性的、耦合的非线性系统,对其动力学耦合和可解耦性问题进行了分析、计算和证明.通过综合变结构控制和模糊控制,给出了一种新的非线性控制系统设计方法,此方法既可以避免变结构控制所固有的颤动现象,同时由于该模糊控制律的解析性,所以也具有实现简单,易于工程化的优点.仿真结果表明,给出的模糊变结构控制,对飞行器模型不确定性和外来干扰具有较强的和良好的跟踪性能.     

挠性航天器姿态机动的主动振动控制

研究了挠性航天器姿态机动过程中挠性附件的主动振动控制问题.针对刚性主体上带有挠性梁的航天器,在建立挠性系统动力学模型的基础上,采用滑模变结构控制策略进行挠性航天器的大角度机动控制,为了快速抑制由于刚体运动而激发的弹性振动,在挠性梁上配置压电致动器,并通过速度反馈设计压电致动器的控制律.仿真结果表明,此方法在实现了旋转机动的同时,有效抑制了弹性振动.     

基于对偶四元数的航天器六自由度相对运动输入有界控制

利用对偶四元数的理论来分析航天器六自由度的相对运动,设计了一种考虑输入有界的姿轨一体化控制器。在介绍对偶数和对偶四元数的基础上推导六自由度相对运动的姿轨耦合模型;利用双曲正切函数绝对值小于1的特性来显式地构造有界控制器,分别设计两个相互耦合的自适应调节律来动态地改变控制器的输出,并基于李雅普诺夫稳定性理论严格证明了闭环系统的全局渐近稳定性;利用数学仿真实验来验证该控制器和控制力满足给定的约束条件,能够实现航天器六自由度相对运动的精确稳定控制,并且对模型参数不确定性和外界扰动具有鲁棒性。与其他方法相比,由该控制器计算得到的控制力矩器的收敛速度更快,输出的控制力矩和控制力的最大幅值更小,且消耗的能量也更少。     

刚体姿态控制在火炮自动操瞄中的应用

刚体姿态控制问题近年来在空间站控制、机器人控制以及飞行控制等方面有广泛的应用,用误差四元数从动力学和运动学两方面对姿态控制进行全局描述,并用李雅普诺夫方法得到基于误差四元数的姿态/速率控制器,结合某压制火炮自动操瞄控制对此控制方法进行了仿真分析.     

反作用轮低速特性观测补偿方法

反作用轮在现代高精度卫星姿态控制中占据着重要的地位。但由于反作用轮工作于低速状态,其转速过零时摩擦力矩的非线性特征将会对姿态控制精度产生较大的影响,并影响卫星运行寿命。基于Dahl摩擦模型建立了直流电机驱动的反作用轮系统数学模型,在此基础上设计了用于改善反作用轮低速性能的补偿观测器,并将其应用于三正交结构姿态控制系统。数字仿真说明此方法可以有效地抑制反作用轮低速摩擦产生的扰动,从而大幅度改善卫星姿态控制精度及其姿态稳定性。最后探讨了该观测器方法同变结构控制方法的综合应用前景。     

冗余空间机器人基座姿态调整的笛卡尔路径规划

空间机器人系统的机械臂和基座之间存在着动力学耦合,为了保证笛卡尔路径规划的同时可以调整基座的姿态,文章以冗余自由度空间机器人为研究对象,首先建立了空间机器人系统的运动学方程;由于存在一定的冗余度,通过将基座姿态运动方程与广义雅可比矩阵组合得到扩展后的雅可比矩阵,实现了基座和机械臂运动的协调规划;最后讨论了基座姿态无扰路径规划,并与零空间法进行了对比。建立平面三自由度空间机器人系统,分别采用零空间法和扩展雅可比矩阵法进行了基座姿态无扰路径规划和基座姿态跟踪路径规划,仿真结果验证了方法的有效性。     

采用终端滑模控制实现交会对接逼近段姿态跟踪

针对交会对接逼近段追踪器的姿态控制问题,采用反馈线性化理论推导了非线性姿态动力学方程的相变量模型.基于导出的姿控模型,引入模型误差和随机噪声,结合终端滑模控制理论,给出了能够在有限时间内完成姿态跟踪,并使状态跟踪误差收敛的控制律的设计方法.对具有扰动项的系统,仿真结果仍能满足交会任务对时间的要求,且姿态角跟踪误差趋于0,说明控制律对相变量系统的姿态跟踪控制具有较好的鲁棒性.