系绳卫星控制系统可重构性评价指标

针对系绳卫星控制系统,展开系绳卫星控制系统可重构性评价指标的研究。首先建立了由三个子卫星组成的系绳卫星控制系统;然后针对该模型进行可重构性评价,给出可重构性评价指标,该指标不仅描述了系统的重构能力,同时还强化了可重构性评价对重构策略指导的作用,体现了重构设计对可重构性评价方法的依赖性。最后通过数值算例,分析了系绳卫星的可重构性指标,并对故障后的系统重新设计重构控制律使其保持稳定。

航天器敏捷机动控制技术发展及展望

对航天器敏捷控制技术的发展现状进行综述,分析了航天器敏捷机动在路径规划、高敏捷高稳定度控制等方面面临的技术挑战;从航天器输入激励方面给出了不同路径规划对姿态敏捷机动性能的影响及适用范围。分析了单级路径跟踪控制、执行机构精准输出控制、多级复合控制等方法对提升航天器敏捷机动高稳定控制性能的技术途径。航天器敏捷机动控制作为一项系统性技术,需要从结构动力学、控制架构、测量与执行部件研制等多方面开展综合分析与设计。针对航天器敏捷机动控制技术发展需求及所面临的挑战,从智能自主控制架构设计、自主决策与协同规划技术、高性能部件研制技术等方面,给出敏捷航天器控制技术的发展建议。

基于视觉的地外天体探测器着陆测速

为了确保探测器安全、准确地降落在地外天体表面,需实时测量探测器的下降速度,为制导导航与控制系统完成软着陆任务提供重要参考依据.提出一种仅利用光学相机的实时视觉测速方法,针对天体地表视频图像,采用递归全对场变换光流算法提取相邻帧间的光流场,然后通过深度神经网络的卷积层和池化层提取光流场对应的特征向量.为减小探测器降落过程中成像透视效应对测速精度的影响,构建一种适用于连续视频帧的长短期记忆网络,对特征向量和速度进行拟合,实现探测器着陆速度的实时估计.仿真实验结果表明,与基于前向传播网络的测速算法相比,本文方法的平均绝对百分比误差减小了11.98%,测量精度更高.

面向稳定目标的深空探测器可重构性评价与自主重构设计

针对现有研究中缺乏指标指导深空探测器控制系统重构策略设计的量化指标的问题,本文研究了在资源受限且不可维修的条件下,面向稳定目标的深空探测器可重构性评价和自主重构设计问题.本文将在地面设计阶段考虑深空探测器控制系统的可重构性,并基于可重构性评价指标指导系统的自主重构控制方法,从设计角度提高深空探测器控制系统运行质量.首先通过左右互质分解的技术手段,基于稳定性目标,定量地给出了系统可重构性指标,描述并评价了深空探测器控制系统的重构能力;然后基于所得指标,为控制系统重构设计提供理论参考依据;最后通过数值仿真证明了该方法的有效性和正确性.

基于观测器的平台无陀螺姿态复合控制

针对超静卫星星体平台无陀螺、载荷敏感器与星体平台执行机构非共基准安装时整星存在姿态异位控制问题,提出了一种基于观测器估计星体平台姿态的复合控制方法。首先,建立星体平台/Stewart平台/载荷的动力学模型,并获得Stewart平台作动器关节空间的等效动力学模型。针对关节空间等效模型,设计super-twisting观测器,以作动器平动位移为输入,以载荷和星体平台之间的相对姿态和角速度为输出,实现星体平台姿态和角速度估计。其次,以载荷测量姿态信息为输入,设计Stewart作动器的积分滑模控制律,实现载荷高精度指向控制。以观测器估计的星体平台姿态信息为输入,设计星体平台控制器实现星体平台的稳定控制。Lyapunov稳定性分析表明所设计的观测器和控制器能够保证闭环系统渐近稳定。数学仿真结果表明:在星体平台有陀螺时,载荷能够实现0.1″指向精度;在星体平台无陀螺时,采用观测器估计星体平台姿态并进行控制,载荷亦可实现0.1″指向精度。

可变构型的控制力矩陀螺控制方法

针对固定构型的控制力矩陀螺群无法灵活改变其合成角动量包络以适应卫星不同工况的姿态机动需求问题,设计了一种可变构型的控制力矩陀螺群控制方法。建立了可变构型的控制力矩陀螺群的动力学模型;在考虑控制力矩陀螺群框架角速度、高速转子转速以及构型倾角变化速率等多变量下,设计了可变构型的控制力矩陀螺群的操纵律;分析了构型倾角固定和构型倾角可变情形下的控制力矩陀螺群合成角动量包络和奇异状态分布情况。采用可变构型的控制力矩陀螺群进行了卫星多工况姿态敏捷机动控制。数学仿真校验表明,可变构型的控制力矩陀螺控制方法能够实现金字塔构型下不同数目的控制力矩陀螺故障时的卫星三轴敏捷机动控制。

UKF位姿估计的超静平台耦合模型参数辨识

针对载荷无陀螺时辨识超静平台耦合动力学参数存在位姿确定问题,设计了一种基于Schur分解以及无迹卡尔曼滤波（UKF）的位姿确定及参数辨识方法。首先,建立加速度计和姿态敏感器组成的测量系统状态模型和观测模型,并给出测量系统的可观性分析。然后,给出基于UKF的载荷位姿确定方法;在UKF中引入姿态修正信息,从而提高载荷角速度估计精度,实现载荷广义位移、广义速度、广义加速度的准确估计。通过Schur分解实现超静平台动力学模型解耦及辨识模型中动力学参数显式表达。以滤波器估计载荷位姿信息为依据,采用最小二乘法辨识动力学参数。仿真结果表明UKF能够准确估计载荷角速度以及超静平台支杆刚度系数,辨识误差优于百分之一。

一种基于卡尔曼滤波的姿态信息融合方法

针对卫星平台上存在的由高频微角颤振引起的载荷光轴指向精度降低,提出了一种基于卡尔曼滤波的姿态信息融合方法,提高姿态确定指向精度。建立基于星敏感器与陀螺的低频带姿态确定系统和MHD-ARS(magneto-hydro-dynamics,MHD,angular-rate-sensor,ARS)高频姿态信息测量系统的数学模型,采用卡尔曼滤波进行宽带宽的姿态信息融合。仿真结果分析表明当存在高频微角颤振时,采用卡尔曼滤波的姿态信息融合方法的估计精度要优于传统的低频带姿态确定系统,且在频域上能够实现扩展姿态测量带宽的目的,验证了姿态信息融合方法的有效性和精确性。

一种超静卫星动力学建模及控制方法

针对Stewart超静卫星载荷和星体平台在姿态控制时存在平动和转动耦合问题,提出一种基于广义动量定理,反映载荷质心相对整星质心平动和转动耦合因素的动力学建模方法。由于载荷质心存在平动位移,极易造成Stewart平台支杆行程饱和,甚至发生碰撞。为避免支杆行程饱和,设计了具有平动前馈补偿控制的载荷控制器和具有支杆去饱和控制的星体平台控制器。通过3种姿态控制模式验证了控制器的正确性。仿真结果表明,在星体平台姿态实现10″控制精度的基础上,通过Stewart平台高精度指向控制,实现载荷0.1″指向控制。星体平台和载荷控制器在3种姿态控制模式下都能够有效实现支杆去饱和控制,避免发生机械碰撞。

基于增益调度的变速控制力矩陀螺操纵律设计

针对以往变速控制力矩陀螺(VSCMGs)加权操纵律存在增益调度与卫星姿态机动信息脱节的不足,设计一种VSCMGs改进增益调度操纵律.不同于以往VSCMGs加权操纵律仅通过奇异度进行增益调度,改进型操纵律采用奇异度结合误差四元数进行增益调度设计,能够根据卫星姿态机动信息进行增益调度,同时该操纵律通过添加零运动,实现规划CMGs框架角和转子转速收敛在标称值附近,避免转子转速饱和.仿真结果表明改进增益调度操纵律能够实现CMGs模式和RWs模式二者之间平滑切换,有利于实现大力矩输出和精细力矩输出.

石英挠性加速度计温度补偿算法

石英挠性加速度是惯性导航系统核心的惯性器件之一,其输出精度受到温度变化的影响,为了降低温度对石英挠性加速度计精度的影响,在研究石英挠性加速度计数学模型的系数随温度变化规律的基础上,设计了加速度计温度模型辨识试验方法,利用数据拟合方法建立了加速度计温度模型。应用该模型提出了石英挠性加速度温度补偿算法,针对该算法的有效性,进行了实验验证,结果表明应用该温度补偿算法,可使加速度计的测量精度提高一个数量级,补偿效果明显。该温度补偿算法可有效地应用于捷联式惯性导航系统等领域中。

深空探测器可重构性评价与自主重构策略

针对深空探测过程中资源严重受限(包括计算资源、硬件资源以及能量资源)和不可维修的特点,开展了深空探测器可重构性综合评价方法和自主重构的研究。通过在地面设计阶段考虑深空探测器控制系统的可重构性,定量地给出了系统可重构性综合评价指标,并基于该指标指导系统自主重构策略的设计,从设计角度提高了深空探测器控制系统运行质量,实现了深空探测器的自主故障处理和自主运行。

基于生成对抗网络的空间卫星低照度图像增强

针对空间低照度成像条件下卫星光学图像信息受损严重的问题,提出了一种基于生成对抗网络的空间卫星低照度图像增强方法,提高了图像的平均亮度及对比度,恢复图像细节信息,为图像识别等图像处理技术提供更高质量的数据信息。首先,设计了一种密集连接的生成器,加强了各特征提取阶段中的信息传递以及多层特征的融合,减少了特征信息的损耗,更好地提取正常照度图像及低照度图像中相似的语义信息;并结合EnlightenGAN的思想,采用了全局-局部辨别器结构,使图像增强效果更自然。然后,在少量样本的条件下,利用非配对样本对该方法进行训练,并通过对输入图像进行随机缩放及翻转等数据增强方法提高模型训练效果,进而提升低照度图像增强性能。最后,对所提出的空间卫星低照度图像增强方法进行了仿真验证。试验结果表明,在空间低照度条件下,该方法在NIQE指标上较LIME及EnlightenGAN分别降低了1.034和0.699,保留了更多的图像细节,具有更高的整体和局部亮度、更高的对比度以及更自然的增强效果。

带柔性载荷超静平台的模型参数在轨辨识

针对柔性载荷振动引起超静平台模型参数在轨辨识精度下降的问题,设计一种超静平台模型参数在轨辨识方法.建立考虑柔性载荷振动的超静平台动力学模型,采用卡尔曼滤波估计柔性载荷振动的模态位移,利用多参数并发递推最小二乘法实现超静平台模型参数的准确辨识,通过仿真验证算法的有效性.仿真结果表明:在不考虑柔性载荷振动时,超静平台模型参数辨识收敛速度缓慢,辨识误差较大;采用文中考虑柔性载荷振动的多变量并发递推最小二乘法,能够明显提高超静平台模型参数估计精度.

一种快反镜指向控制误差定量分析方法

针对航天器星体和快反镜两级系统中的快反镜指向控制误差问题,提出了一种快反镜闭环控制系统指向控制误差分析方法。首先,建立了带有高阶谐振的快反镜动力学模型,在考虑各影响因素的情况下设计了其闭环控制系统;然后,推导了各影响因素至快反镜指向的传递函数,并以各影响因素为输入进行仿真,研究其对快反镜指向控制误差的影响。仿真结果表明,快反镜指向总误差小于0.01″,星体指向误差和快反镜姿态测量误差是影响快反镜指向误差的主要因素。

线缆连接对多级卫星控制性能的影响分析

分析研究了附加连接对多级协同控制卫星控制性能的影响。首先,利用牛顿欧拉法建立了主动指向超静平台动力学模型与卫星-载荷多级系统,为分析附加连接对系统产生的影响提供了动力学基础;其次,将线缆连接等效为附加刚度,建立了附加连接的力学模型并加入多级卫星动力学系统;仿真分析了附加刚度对开环与闭环系统隔振效果的影响,进一步分析了附加刚度对主动指向超静平台稳定性与指向控制精度的影响并提出了解决方案。仿真结果表明,星体与载荷之间的附加连接略微降低了主动指向超静平台的隔振效果与系统的稳定性,但对载荷指向控制精度影响不大。

大型挠性天线的主动振动抑制与相对位置控制

在微波遥感卫星上应用长基线的雷达干涉仪需要对大型挠性天线进行快速的主动振动抑制与高精度相对位置控制,传统的星体姿态控制和阻尼机构已无法满足任务的快速性和高精度要求.提出一种以高精度相对位姿测量相机为传感器、以高带宽执行的主动指向超静平台为执行机构的主动振动抑制与相对位置控制系统,开展了动力学建模、控制器设计和数学、物理仿真试验研究.该系统中相机测量天线末端的位移,而主动指向超静平台在天线的根部施加控制作用,因此控制回路具有异位控制的特点.为此,提出了一种能够实现天线载荷主动振动抑制和位置控制的控制器,其能够为天线的一阶挠性模态提供阻尼作用,同时保持高阶模态的稳定.控制器具有积分控制+结构滤波器的形式,也可被解释比例-积分-微分控制器+低通滤波器.在该控制器的基础上,进一步设计了星体-载荷两级控制回路.通过数学仿真和全物理仿真试验对设计的控制系统在主动振动抑制和位置控制任务中的有效性进行了考核,仿真和试验结果表明,提出的控制方案和控制器能够将大型挠性天线的振动衰减时间缩短1~2个数量级,并为天线载荷提供快速、精确的位置调节能力.

附加连接对主动指向超静平台控制效果的影响

超精超稳超敏捷卫星在航天器星体平台的基础上引入二级控制主动指向超静平台(ASP)实现了载荷的振动隔离与敏捷机动。载荷与卫星平台之间的附加连接可能导致系统指向精度与隔振效果的下降。为此,利用仿真与试验分析研究了线缆、热管等附加连接对主动指向超静平台控制性能的影响。首先,利用牛顿-欧拉方法建立了超精超稳超敏捷卫星多级动力学模型,将线缆、热管连接等效为附加刚度,建立附加连接的力学模型,为分析附加连接对系统产生的影响提供动力学基础。其次,仿真分析了附加连接对系统隔振效果、稳定性的影响,为实际卫星的设计与测试提供理论支持。为进一步掌握附加连接的刚度特性和对系统控制性能产生的影响,设计对主动指向超静平台开展控制系统的全物理仿真试验。试验结果表明,采用试验中线缆、热管的装配布局对主动指向超静平台控制的稳定性、指向精度与稳定时间均无明显影响,试验中线缆、热管的装配布局对整星的安装设计有重要参考意义。最后,提出了一种自适应预设性能非线性控制器,解决了附加刚度存在下平台与载荷之间的耦合与振动抑制问题,数值仿真结果显示,提出的自适应预设性能控制改善了载荷与平台之间的动力学耦合问题,进一步提升了载荷的敏捷机动、稳定跟踪与高精度指向能力。