利用遗传算法实现低倾角卫星星座优化设计

针对热点区域的多重覆盖问题,采用回归圆轨道的共星下点轨迹星座方案,提出基于遗传算法求解单颗卫星轨道参数、利用简单解析公式求解星座轨道参数的方法。首先,建立了回归轨道热点区域多重覆盖模型;其次,以卫星一个回归周期内覆盖时间最长为性能指标,首颗卫星轨道根数利用遗传算法可优化求取;最后,根据星下点轨迹重合这一约束条件设计星座构型,并利用各卫星间几何关系求解各卫星的轨道根数。理论分析和仿真结果表明,该方法简单且易于实现,设计结果正确,可实现回归周期内同一卫星星下点轨迹多次覆盖目标,星座使用卫星少、覆盖频率高,具有较好的工程应用价值。

一种微纳卫星的姿态安全控制方案

针对微纳卫星在低冗余度下实现姿态安全控制的问题进行了研究,提出一种占用资源少的姿态安全控制方案,当诊断信息不完备时尽可能切除所有潜在故障源,仅用磁强计和磁力矩器实现卫星姿态控制系统的重构。所提方案可以在卫星任意初始姿态条件下完成角速度阻尼,并可控制卫星机动至对日定向姿态,确保帆板充电效率,从而延长故障条件下的卫星寿命。数学仿真表明,在陀螺、星敏感器、动量轮和推力器等主要控制部件均不使用的条件下,所提方案仍可完成稳定的单轴对日定向安全姿态控制,姿态确定精度优于2°,对日定向精度优于5°,极大地提高了卫星在轨安全运行的能力。

一种广角相机视频小卫星姿态跟踪方法

针对传统目标跟踪方法需要目标的先验位置信息、不适用于非合作目标跟踪的问题,提出了一种基于广角相机图像误差的视频小卫星目标跟踪方法。该方法首先建立了广角相机成像模型,然后计算目标在相机图像平面中的投影位置和期望位置之差,通过图像误差确定目标与视频小卫星的相对误差角速度和姿态误差,将其作为反馈项设计非线性控制器,最后利用Barbalat引理证明了系统的稳定性。仿真结果表明,在广角相机大范围视场下,该方法可以有效地将目标控制到图像平面中期望的位置,并且利用天拓二号卫星在轨验证了该方法的有效性。

带有避障约束的分布式导弹编队饱和控制器设计

对带有外界干扰、输入受限、规划航路存在未知障碍物情形下的导弹编队控制问题进行了研究。首先,基于导弹非线性动力学模型,通过定义位置、速度误差变量,建立了考虑外界干扰的绝对误差导弹编队控制模型。其次,在提出基于避障势函数和双曲正切函数非线性滑模面的基础上,利用自适应技术和抗饱和辅助系统,设计了自适应抗饱和鲁棒导弹编队避障控制器。最后,借助Lyapunov稳定性理论证明了所设计系统状态为渐近稳定的,并通过数字仿真验证了所设计控制策略的有效性。

改进APF的无人机编队避障最优一致性控制方法

针对传统人工势场(Artificial Potential Field,APF)解决避障问题时出现的局部极小值、目标不可达等缺点,提出了一种结合APF和具有协同避障效果的最优一致性控制方法。基于固定无向通信拓扑的双积分器无人机编队模型,引入具有避障代价函数的最优一致性控制协议,解决APF避障的局限性问题,同时对多无人机进行编队控制,使无人机编队控制系统的一致性性能指标、控制消耗性能指标和避障性能指标达到最优解。此外,通过对每架无人机构建虚拟斥力势场,防止在避障过程中出现机间碰撞。仿真结果表明,与改进APF的非最优一致性控制相比,本文提出的改进APF的最优一致性控制能够缩短任务用时32%,且能够极大程度上保持队形完整性,减少避障所造成的一致性消耗和控制损耗。

神舟飞船高精度星敏感器设计概述及在轨验证

给出了中国神舟系列飞船所采用的高精度星敏感器的设计方案和在轨验证结果。在镜头设计方面,采用了光阑前置结构型式,满足小型化和长寿命应用需求;在整机结构设计方面,采用了“框架组合环绕式”一体化结构,注重轻量化与稳定性;在电路设计方面,采用了抗辐照加固的APS图像传感器、处理器和ASIC,确保全寿命周期内高灵敏度探测与高可靠信息处理;在算法方面,采用了聚类提取、快速三角形识别、卷帘补偿以及曝光时间动态调整等算法,实现精度、更新率、动态和捕获等关键性能指标;此外,对整机热稳定性进行了改进,确保星敏感器性能可以良好保持。该星敏感器已成功应用于载人航天、探月及北斗三号等一系列重大工程,在轨应用数量达到200余台。

一种基于因子图的RIMU/GNSS组合导航算法

针对传统基于滤波方法的RIMU/GNSS组合导航系统因载体大幅度机动条件下滤波结果不稳定的问题,提出了一种基于因子图的估计方法。建立面向冗余惯性导航系统的状态方程与量测方程,并将冗余惯性数据融合至载体坐标系三轴。建立基于因子图的数据融合方法,将融合后的惯性数据与卫星信息抽象为因子节点,状态信息抽象为变量节点,构建包括惯性因子与GNSS因子的代价函数并以非线性优化的方式对状态量进行估计。数字仿真证实,因子图方法能有效降低载体的位置误差,且均方根误差明显小于卡尔曼滤波算法。

多人追逃的协商微分对策最优躲避策略

针对夺旗运动中追逃博弈的最优躲避问题,提出了一种多人追逃的协商微分对策最优躲避策略。首先,建立夺旗追逃线性化模型,并对模型进行降阶。其次,考虑能量约束和交汇时刻博弈双方距离的代价函数,构造了哈密顿函数。最后,利用Hamilton-Jacobi-Isaacs(H-J-I)方程组,求解得到了协商微分对策最优躲避策略。对所设计最优躲避策略进行了“二追一”仿真和多层追捕仿真,结果表明夺旗一方的队员成功夺旗的同时能量消耗最小,验证了本文提出协商微分对策躲避策略的有效性和适用性。

一种重力梯度/SINS/星光组合导航方法

为提高飞行器导航系统的精度和自主性,提出了一种重力梯度/捷联惯导(SINS)/星光组合导航方法。在该组合导航系统中,利用重力梯度信息修正SINS的位置误差,利用星光信息修正SINS的姿态误差,提高飞行器的导航精度和自主性。为了弥补传统容积卡尔曼滤波(CKF)算法滤波精度不高的缺点,采用随机加权容积卡尔曼滤波(RWCKF)算法,设计重力梯度/SINS/星光组合导航系统。仿真结果表明,SINS/星光组合导航系统、重力梯度/SINS组合导航系统、合成孔径雷达(SAR)/SINS/星光组合导航系统和提出的重力梯度/SINS/星光自主组合导航系统的定位误差分别为78.1003 m、54.3399 m、39.2776 m和19.8495 m,证明了提出的重力梯度/SINS/星光自主组合导航系统的精度不仅远高于两个子系统,也高于SAR/SINS/星光组合导航系统。

结构突变航天器惯量参数在轨辨识方法

针对在轨服务的航天器惯量参数突变情况,提出了基于卫星在轨姿态测量及控制信息实现惯量参数实时辨识的方法,设计了递推最小二乘(RLS)及扩展卡尔曼滤波(EKF)辨识算法。在RLS算法中引入自适应遗忘因子,每次递推过程中通过分配先验数据和当前数据的权重确保产生突变后辨识值的及时跟踪;在EKF算法中明确先验预测协方差中参数变化的影响,将其代入更新预测协方差矩阵以应对惯量参数的突变。仿真结果表明,考虑惯量参数突变的场景,RLS算法和EKF算法的辨识精度可达1.5%和1%,辨识时间分别优于30 s和40 s;考虑惯量缓慢时变的场景,两种方法均可实现惯量参数的在轨实时辨识,辨识精度满足姿控系统需求。

基于蜻蜓算法的飞行器自抗扰控制器设计

针对飞行器复杂环境下强耦合、非线性和气动参数变化剧烈的问题,提出一种基于蜻蜓算法的自抗扰控制器设计方法。首先建立复杂环境下飞行过程三通道的数学模型,采用扩张状态观测器估计系统的状态和总扰动,并对观测到的干扰进行补偿,采用蜻蜓算法整定优化自抗扰控制器的参数,最后通过六自由度仿真进行验证。结果表明,优化后的控制器参数具有更好的控制精度,在气动参数拉偏的情况下也具有较好的控制效果。

迁移学习在变工况方向舵故障诊断中的应用

为解决飞行器方向舵在复杂多变的工况条件下的故障诊断准确性问题,提出了一种结合卷积神经网络(CNN)和基于网络的深度迁移学习(NDTL)的NDTL-CNN故障诊断方法。首先,搭建了飞行器方向舵的故障仿真模型,采集不同工况条件、健康状态下的多维传感器数据;然后,设计了CNN,其自适应地从定工况数据中深度提取特征,能够有效捕获方向舵的故障特征信号;最后,对定工况下的预训练CNN进行模型微调,将其迁移到变工况数据中进行故障诊断。实验结果表明:所提方法在短时间内将变工况下CNN的诊断精度提高了15%,最终NDTL-CNN的诊断精度为97.7%,达到了在复杂多变的工况条件下精确辨识方向舵的健康状态。

带落角与舵面饱和约束的三维制导控制一体化设计

为使制导控制系统在实际应用过程中适用所面对的多种约束条件,同时避免制导与控制系统设计过程中反复迭代带来的巨大工作量,提出了一种带有落角与舵面饱和约束的三维制导控制系统一体化设计方法。根据导弹六自由度非线性模型以及三维弹目相对运动模型建立全状态耦合的制导控制一体化模型,基于动态面控制器原理,采用4级滑模面设计,构建了能够满足落角与舵面饱和约束的控制器,并给出了控制系统闭环稳定性证明。通过仿真实验有效验证了所提方法的正确性、有效性及鲁棒性。

基于宽度学习的航天器编队分布式姿态协同容错控制

针对具有惯性不确定和执行器故障的航天器编队姿态协同控制问题,利用宽度学习系统的逼近特性对系统的广义扰动和执行器故障进行估计,同时采用迟滞量化器对控制力矩信号进行量化,以降低对通信速率的要求,并减少抖振现象。在此基础上,提出一种基于模型预测控制和快速非奇异积分终端滑模的复合结构容错控制器。利用代数图论和Lyapunov理论分析了闭环姿态系统的稳定性。最后,通过仿真验证了本文提出的控制方法与现有方法相比的优越性。

火星探测器多次分离气动捕获自主导航与随机制导

研究多次分离阻力控制探测器在火星气动捕获过程中的导航与制导问题,建立了气动捕获过程中的动力学模型与测量模型,提出了将火星大气密度建模为高斯过程,结合无迹施密特-卡尔曼滤波对探测器的系统状态进行估计,给出了系统状态的统计信息。采用随机制导策略,通过无迹变换传播系统状态的均值和协方差信息,将其纳入制导目标的设计中,并最终优化阻力裙分离时间。仿真结果验证了所提算法在提高气动捕获导航精度和减小最终入轨所需速度增量方面的有效性,为火星气动捕获及其他深空探测任务提供了理论和技术支持。

考虑威胁区通行概率的变体飞行器轨迹规划

针对威胁区交叉重叠且全覆盖飞行路径的变体飞行器轨迹规划问题,提出了一种考虑威胁区通行概率和变外形参数优化的轨迹规划方法。基于分层强化学习思想,通过设置飞行环境集合、决策选项、代价函数、Q函数以及选项内的策略等,建立了变体飞行器路径决策的分层强化学习模型;通过训练得到的评价网络,能够结合威胁区通行概率对实际的场景进行路径决策;根据飞行器可变外形的特点,优化所得决策结果的参数,得到全过程的通行轨迹和外形形态。仿真结果表明,该方法能够根据实际情况实时决策飞行路径,经过优化后得到全过程的优化轨迹和飞行形态。

一种内编队卫星脉冲阈值轨道控制方法

针对内编队卫星由于内外卫星受摄差异产生的相对轨道运动,需要进行编队构型维持以避免内外卫星碰撞,提出一种脉冲阈值相对轨道维持方法。该方法设计了一种周期启动式脉冲阈值控制器,根据内外卫星质心的相对位置与距离阈值以及线性化相对轨道运动动力学模型计算施加的脉冲冲量,采用蒙特卡洛方法模拟内外卫星存在状态估计偏差,并在相同条件下对比两种连续控制方法。结果表明该方法在控制精度、燃料消耗和受测量误差影响程度上能取得良好的平衡,能够有效降低状态偏差对燃料消耗带来的不确定性,可应用于内编队卫星长期在轨低燃料消耗的编队构型维持,也可应用于一般编队卫星构型维持与行星伴飞。

融合点线特征的空间失效目标双目视觉位姿测量

提出了一种融合点线特征的双目视觉位姿估计方法,该方法基于视频的图像帧,先分别通过ORB算法和LSD算法提取图像帧的点、线特征,并采用LBD描述子实现帧间匹配;然后基于极线搜索方法获得右图像中与左图像对应的特征,从而获得匹配特征的空间坐标;最后基于点线特征融合的重投影模型,利用Levenberg-Marquardt法迭代获得失效目标的相对位姿。仿真实验表明,融合点线特征的视觉位姿估计方法相比单纯点特征的位姿估计具有更好的鲁棒性,尤其针对高速旋转目标,能更好地进行位姿跟踪测量。

基于序列凸优化的带动力飞行器再入轨迹优化

对序列凸优化方法在带动力飞行器再入轨迹优化中的应用进行了研究。首先,针对原始优化问题中控制量高度耦合且非线性的问题,通过引入新的控制量并建立与原始控制量的映射关系,得到关于控制量为线性的状态方程。其次,对原始优化问题中的非线性动力学方程、性能指标、过程约束与控制量约束进行松弛和线性化处理,通过附加状态变量的信赖域约束,并在性能指标中加入速度方位角的积分项以保证松弛和线性化的合理性。进一步,通过离散技术,将原始问题转化为一个凸优化问题。最后,通过数值仿真进行了算法验证。结果表明,本文算法对于带动力再入轨迹优化问题具有较高的求解精度,序列凸优化求解结果满足原始非线性约束,在一定精度范围内优化解可以作为原始问题的可行解。

基于北斗/GPS双模模块的高可靠定位系统设计

针对飞行器在飞行试验结束后部分重要结构的定位及可靠回收的问题,设计了一种基于北斗/GPS双模模块的高可靠定位系统。系统采用集成了GPS/RNSS(Radio navigation satellite system)模块和RDSS(Radio determination satellite system)模块的BDM910模块为核心的定位装置,通过双链路及四天线互为冗余来接收北斗导航卫星系统(Beidou navigation satellite system,BDS)频点和GPS频点导航电文,在捕获有效卫星导航信号的同时,实时解算自身位置信息,并将位置信息以北斗短报文形式实时发送给搜寻装置,最终确定飞行器的落点坐标。该系统解决了在复杂环境下,飞行试验中相关重要结构的定位回收问题。此定位系统有实时解析定位数据和定位装置通信信息的能力,数据解析率小于5 s,定位精度在10 m以内,通信成功率在95%以上,系统持续工作时间4 h以上,实现了高可靠定位。