基于螺旋理论的DFP隔振航天器相对运动动力学建模与姿轨耦合控制

为更好满足未来高精度任务要求,以由无接触的有效载荷模块(payload module,PM)和支持模块(support module,SM)组成的DFP(disturbance-free payload)航天器为对象,开展两模块间的相对运动动力学建模与控制研究和系统隔振性能验证。首先通过简化构型、梳理受力情况,重点推导了两模块所受力和力矩表达式;其次考虑耦合效应,利用对偶四元数建立了模型精度更高且形式简洁统一的DFP航天器两模块间的相对运动动力学方程;在此基础上设计PD控制律,考虑控制量可测性及敏感器测量误差,使PM和SM的相对运动满足DFP航天器工作要求。仿真结果验证了DFP航天器的隔振优势和姿态机动性能。

自主机动飞网机器人动力学建模与网型保持方法

针对自主机动飞网机器人多系绳编织结构的动力学建模难题,首先提出利用无向图描述飞网机器人的结构,然后依据系绳杨氏模量极大的特点,设计间隙函数和约束反力,基于Hamilton原理建立飞网机器人数学模型,并设计一种基于Lemke算法和龙格库塔积分的解算方法;针对其网型保持问题,设计一种"双层优化伪动态逆内环+变结构控制外环"的控制方法。仿真结果表明,设计的控制器能够有效控制飞网机器人沿指令轨迹运动,并很好保持其网型,避免飞网机器人任务过程的变形和轨道径向移动。

柔性体飞翼无人机着舰动力学仿真研究

为研究将飞翼无人机机体考虑为柔性体对无人机气动特性和着舰过程的影响,采用双向流固耦合的方式计算气动力、结构重心和惯性矩,然后建立飞翼无人机的着舰动力学模型,分别对将飞翼无人机考虑为刚体和柔性体时的动力学模型进行仿真。算例表明:将飞翼无人机考虑为柔性体后,其着舰滑跑时间增加了大约0.5秒,着舰滑跑距离增加了大约14.27米,相对于将无人机考虑为刚体时,着舰滑跑时间和着舰滑跑距离分别增加了14.3%和21.2%。结果表明在将无人机考虑为柔性体后对拦阻着舰的性能有很大影响,因此在精确仿真时不能忽略无人机柔性体对仿真结果的影响,在研发舰载无人机的过程中应当对机体柔性产生的影响给予足够重视。

失效航天器非接触式消旋技术发展综述

对失效航天器非接触式消旋领域内的研究成果进行了综述,梳理了非接触式消旋的特点,并聚焦于系统动力学模型、消旋方法和关键技术等方面。首次将非接触式消旋方法按照其作用机理分为电磁式消旋和冲击式消旋两类,并分别总结了其技术特点和适用的任务场景。而后针对消旋任务的实践需求,系统阐释了非接触消旋中制导与控制、高性能星载计算等关键技术。最后,面向复杂空间任务和智能化消旋操控的需求,提出了非接触式消技术中4个值得研究的问题和方向。有望为未来失效航天器在轨维护和非接触式消旋技术的发展提供借鉴和参考。

初值约束与两点边值约束轨道动力学方程的快速数值计算方法

轨道动力学快速计算是航天工程中的基础问题,广泛存在于轨道设计、空间抓捕以及深空探测等任务中.基于有限差分原理的经典数值积分算法,由于精度严重依赖小积分步长,难以满足航天器在轨快速计算需求.针对该问题,提出一种局部配点反馈迭代算法,该算法能高效解算受到初值约束和两点边值约束的轨道动力学方程.基于Picard迭代公式建立数值算法以避免计算雅可比矩阵,引入误差反馈以加快迭代收敛速度.通过时域配点法消除迭代公式推导中的复杂符号运算,使迭代公式更为简洁.结合拟线性化法及叠加法,算法能对两点边值约束下的Lambert问题实现高效解算.基于ph网格细化法建立计算参数自适应调节算法,能进一步增强局部配点反馈迭代法的大步长计算优势.通过求解二体动力学模型下的递推轨道,摄动Lambert问题以及限制性三体动力学模型下的转移轨道验证了算法有效性.仿真结果表明,在相同计算精度下,局部配点反馈迭代算法计算速度比拟线性化-局部变分迭代法提高1.5倍以上,引入变参数方案能够进一步将算法计算速度提高6倍以上.

考虑摩擦的空间抓捕过程碰撞动力学分析与控制

目前针对空间抓捕中的碰撞进行建模的方法中很少考虑摩擦因素。然而,摩擦作为碰撞过程中不可避免的现象,对碰撞动力学响应及整个空间抓捕任务有着不容忽视的影响。文章结合库伦摩擦理论和拉格朗日乘子法,建立了同时兼顾滑动和粘滞状态的摩擦模型,然后将求解到的摩擦力与碰撞力进行矢量合成,作为对碰撞模型的修正。另外,针对碰撞过程对机器人姿态产生的干扰,利用反馈线性化设计了解耦控制器对基座姿态漂移进行稳定控制。数值仿真采用一个平面2-DOF空间机器人,利用动量和动量矩守恒定理验证了动力学模型的正确性,同时基座姿态控制结果收敛说明了控制器的有效性。

一种针对月球飞行探测器的运动基元规划方法

考虑先验地图缺失、障碍物分布未知的工作环境,提出一种融合运动基元、启发式和终端打靶的月球飞行探测器(LFV)最优动力学运动规划方法。首先对比分析了基于常量推力和常量加速度的基元生成模式。为降低约束核查耗时,提出应在加速度控制空间中设计基元。随后针对由时变非凸加速度控制空间导致的基元族难以快速生成的问题,设计了基于离散度的确定性均匀采样策略和有效采样点的筛选方法。其中采样策略可在提高基元对可达域覆盖率的同时最小化采样点数量;筛选方法通过建立基元的位置和速度极值表达式,将处理对象由整个基元转换为单个状态,从而减少约束核查数量。最后设计适用于LFV的启发式算法以降低算法的运行时间,设计层次化终端打靶策略以增加目标状态被连接到轨迹树的成功率。仿真结果表明,所提方法有效平衡了最优性和快速性之间的矛盾,保证了LFV的飞行安全。

基于自适应增强随机搜索的航天器追逃博弈策略研究

针对航天器与非合作目标追逃博弈的生存型微分对策拦截问题,基于强化学习研究了追逃博弈策略,提出了自适应增强随机搜索(adaptive-augmented random search,A-ARS)算法。针对序贯决策的稀疏奖励难题,设计了基于策略参数空间扰动的探索方法,加快策略收敛速度;针对可能过早陷入局部最优问题设计了新颖度函数并引导策略更新,可提升数据利用效率;通过数值仿真验证并与增强随机搜索(augmented random search,ARS)、近端策略优化算法(proximal policy optimization,PPO)以及深度确定性策略梯度下降算法(deep deterministic policy gradient,DDPG)进行对比,验证了此方法的有效性和先进性。

失效航天器等离子羽流消旋建模与最优制导研究

为克服等离子羽流无序性强、动力学模型复杂的问题,使用神经网络建立消旋力矩快速计算模型,实现高效、高精度的消旋动力学解算.针对传统制导律难以处理复杂翻滚目标的弊端,提出章动抑制原则,并建立自旋章动耦合目标的最优羽流指向制导律.仿真结果表明基于神经网络的高效计算模型可在同等精度下大幅度减少力矩计算时间,最优制导律可实现复杂章动目标的快速稳定.本研究从在轨计算与任务执行策略两方面显著提升了消旋效率,为利用等离子羽流的在轨操控任务奠定了理论基础.

重构谐波平衡法及其求解复杂非线性问题应用

谐波平衡法是求解非线性动力学系统周期解的最常用方法,但对非线性项进行高阶近似需要庞杂的公式推导,限制了该方法的超高精度解算.通过对频域非线性量的时域等价重构,提出了重构谐波平衡法(RHB法),解决了经典谐波平衡法超高阶次计算难题.然而,上述两种方法均要求动力学系统为多项式型非线性,且无法直接用来求解非线性系统的拟周期解.针对上述问题,文章提出一种将RHB法和复杂非线性系统等价重铸法相结合的计算方法,首先将一般非线性问题无损重铸为多项式型非线性系统,然后用RHB法进行高精度求解;针对拟周期响应求解问题,提出基于“补频”思想的RHB方法,通过基频的优化筛选,实现拟周期响应的快速精准捕捉.选取非线性单摆、相对论谐振子和非线性耦合非对称摆等典型系统进行仿真计算,仿真结果表明,所提出的RHB-重铸法在解非多项式型非线性系统的稳态响应时精度保持为10^(-12)量级,达计算机精度,远超现有方法水平.补频RHB法则实现了对拟周期问题的高效解算,拓宽了方法对真实物理响应的求解范围.

基于改进蚁群算法的无人飞行器二维航迹规划

蚁群算法作为一种启发式仿生算法,在飞行器航迹规划中应用十分广泛。目前许多学者对基本蚁群算法进行了改进,其中包括信息素挥发系数的自适应调节,这种改进使得信息素挥发模式是固定的。为了更加真实模拟信息素挥发情况,并提高算法的实时性,提出了一种信息素挥发系数的随机自适应调节方法;并且通过引入飞行约束条件的限制来剔除不满足飞行约束条件限制的节点和这些节点所扩展出来的航迹,从而进一步提高算法实时性;另外通过数学上的几何方法剔除不满足飞行安全的节点和这些节点所扩展出来的航迹,得到满足威胁规避的航迹,即"零威胁"航迹;然后采用蚁群算法在这些"零威胁"航迹中优化搜索出一条能够使目标函数仅有航程唯一待优化量的最优航迹,即所谓"单因子"目标函数优化航迹。仿真分析结果表明:提出的"零威胁-单因子"方法不仅可以提高算法的收敛速度,还可以降低优化方法的难度,充分显示了该算法的优越性。

高精度相位参考甚长基线干涉测量技术与试验验证

由于探测距离远,火星探测任务对干涉测量具有很强的精度需求。首先描述了相位参考甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry,VLBI)原理,介绍了弧段内干涉相时延解模糊方法,阐述了弧段之间相互参考解算干涉相时延流程,给出了测量误差分析,并利用中国佳木斯深空站、喀什深空站针对射电源对1633+38和1641+399开展了相位参考VLBI试验验证。结果表明,消除模糊度后,相位参考时延精度优于0.1ns。这为提高中国未来深空探测器角位置精度提供一种可行的技术途径。

基于改进蚁群算法的无人驾驶飞行器三维航迹规划与重规划

研究了一种改进蚁群算法在无人驾驶飞行器三维航迹规划中的应用。针对基本蚁群算法容易过早陷入局部最优以及过早陷入迭代停滞的缺陷,新提出了一种信息素挥发系数的随机自适应调节方法;借助最小威胁曲面这个概念,将最小威胁曲面向水平面投影,使三维航迹规划转换为二维航迹规划;并借助动态窗口这个概念,在三维离线航迹的基础上进行航迹局部重规划;最后给出仿真验证。仿真结果表明:改进蚁群算法在解的优越性和算法的快速性上都全面优于基本蚁群算法,并且改进的蚁群算法在三维航迹重规划上有很强的适应性。

具有模型参数不确定性的高超声速飞行器动态特性分析及控制律设计

大范围机动、质量分布快速变化、气动特性复杂,以及飞行器结构、气动、推力的相互耦合,使得高超声速飞行器动力学呈现出强不确定性,给其动态特性分析和控制器设计提出了挑战。文章针对高超声速飞行器模型参数不确定性问题,首先分析各种可能造成模型不确定性因素的物理本质,确定其主要影响因素;在此基础上建立了能够反映这些主要影响因素带来的具有参数不确定性问题的动力学模型;并分析每一个单独不确定性参数变化对飞行器特征根分布的影响;在考虑高超声速飞行器参数不确定性的情况下,针对刚体-弹性体模型,采用修正的反馈线性化方法设计控制律。研究结果对高超声速飞行器的动力学特性分析、总体设计、控制系统设计、准确度分析等提供具有重要参考价值的依据。

航天器相对运动姿轨耦合特性研究

近距离复杂操作过程中航天器相对运动姿轨之间存在耦合,准确分析耦合特性是精准控制系统设计的前提。利用基于对偶四元数得到的航天器相对运动一体化模型,采用参数分析法研究了姿轨耦合特性。首先分析了模型中的耦合项,明确了耦合产生的物理成因,确定了关键耦合参数;之后逐次改变各个参数,联合一体化动力学模型进行求解,获得耦合对航天器相对运动的定量影响。结果表明,推力偏心所产生的附加力矩和重力梯度力矩是产生相对姿轨耦合的主要成因,绝对姿态运动比相对姿态运动对相对轨道的影响更加明显,形成的姿轨耦合特性更为复杂。研究结果可为相对姿轨协同控制系统设计提供参考。

基于虚拟中心引力场方法的航天器转移轨道设计

空间机动技术是实现空间操作任务的基础,具有重要的研究价值.研究了连续推力作用下航天器转移轨道设计问题,提出了一种基于虚拟中心引力场的轨道设计方法.该方法有两大特点:(1)能够将机动轨道设计问题转化为虚拟中心引力场参数的优化问题,简化了设计过程;(2)对轨道形状或推力方向、大小不做任何假定,能够应用于一般情况下的机动轨道设计.将该方法应用于航天器二维和三维的转移轨道设计,并和形状方法进行了对比分析.仿真结果分析表明,采用该方法简化了轨道设计过程,为航天器快速轨道设计提供了新思路.

航天器非质心对接点间相对运动建模与控制

空间交会对接航天器的对接端口一般位于航天器表面,并非位于质心,但传统的相对运动建模往往采用航天器质心作为参考点,致使在实际操作中需要额外的针对对接端口相对位姿进行规划,无疑会降低操作任务完成效率。为此,基于旋量描述,研究了航天器非质心点间的相对运动建模方法,首先通过引入恰当的转换算子,建立了非质心对接点之间的相对速度旋量,然后利用基本力学原理和旋量理论,详细推导并得到了非质心点相栐运动姿轨耦合模型,该模型不仅避免了姿态解算的奇异,而且姿轨描述形式统一,对航天器控制系统并无额外要求,有利于协同控制器设计。利用此模型,考虑空间摄动及未知干扰影响,文中设计了一种将非线性反馈控制和基于状态偏差对数的PD控制相结合的控制律,并证明了稳定性,完成了仿真验证。结果表明该方法可行、姿轨协调控制效果良好、可精确实现对接端口的对接状态,为空间相对运动姿轨耦合建模与协同控制系统设计提供了理论参考。

一个用于载荷地面测试的航天器仿真模型

针对特定的载荷物理样机地面测试验证及任务全过程演示的硬件在回路仿真背景,基于RT-LAB仿真平台,搭建了半实物仿真测试系统,其中航天器平台的仿真模型使用Simulink/Stateflow搭建,采用层次化、模块化设计,包含自主运行管理、GNC、电源、热控、推进、地面站等分系统,使用Stateflow实现载荷工作的流程控制,本文详细描述了各分系统的功能、实现,对关键分系统的功能做了验证。表明RT-LAB与Simulink/Stateflow结合可方便快捷地构建各种仿真环境,满足任务要求,而其模块化的特点使模型便于后续的维护、重用与扩展。

基于CEI系统的低轨非合作卫星测定轨技术验证

低轨非合作空间目标的测定轨对于地面重要目标或区域的空间态势感知、安全防卫具有十分重要的作用。地基无线电测量方式是对低轨非合作目标最有效的监测手段之一,但其面临难快速跟踪、难精确测量、难精密定轨等问题,开展实际低轨非合作目标的实测验证试验,将对关键技术验证与性能评估具有重要意义。首先,介绍了基于连线干涉测量(CEI)系统对低轨非合作目标的跟踪试验情况;然后,采集与记录目标外测信号;接着,通过事后信号处理方式,获取了非合作卫星的干涉测量时延观测量、单向开环测速观测量。在有效信号带宽300kHz条件下,干涉测量时延精度为30ns,多普勒频率测量精度为50mHz;最后,通过单基线时延参与定轨验证,成功实现了对于低轨非合作目标从跟踪、测量到定轨的全链条、全系统验证。

连线干涉测量信号处理方法及实验验证

干涉测量技术是深空探测任务中高精度获取导航数据观测量的重要技术手段。阐述连线干涉测量原理,详细推导干涉测量信号处理算法,用于准确提取反映航天器测角信息的时延观测量。分析信号处理数学模型,通过仿真验证算法的有效性。由于连线干涉测量具有严格的时间同步特性,同时消除了传播介质公共误差对信号的影响,通过搭建连线干涉测量实验系统实际采集地球同步卫星信号进行分析,结果表明实验成功获取了清晰的干涉条纹,得到高精度的时延观测量信息,从而验证了连线干涉测量信号处理方法的有效性。