航天器姿态受限的协同势函数族设计方法

提出一种考虑航天器姿态约束的协同势函数设计方法,在姿态全局收敛的同时,保证姿态在机动过程中始终满足姿态约束.首先,建立航天器姿态指向约束模型,并针对每一个指向约束设计软约束区域;然后,基于“角度扰动”方法设计协同势函数族;接着,通过设计协同势函数族内函数切换规律,在软约束区域内构建满足姿态约束的势函数,并给出区域内势函数临界点分布的调整方法;最后,将所得的势函数用于航天器的避障控制,以比例-微分控制为例,通过数值仿真,验证该方法的有效性.

半解析卫星轨道不确定性快速估计方法

基于半解析法和球形单边采样无迹变换提出一种轨道不确定性快速估计方法。首先在考虑J2摄动和大气阻力摄动的基础上,构建轨道要素解析模型用于瞬时轨道要素快速估计。随后基于该轨道要素快速估计方法,结合球形单边采样无迹变换传播初始轨道不确定性,依据高斯摄动方程和球形单边采样点的特性对传播后的采样点进行修正,估计传播后的轨道不确定性。最后将提出的半解析法与高斯和模型相结合,以提高精度。数值仿真分析了所提出的轨道不确定性估计方法相较无迹变换法的计算效率提升程度,并依据似然一致性度量将所提出的方法与蒙特卡洛法、无迹变换法等进行了精度比较。结果表明,所提方法的计算效率相较于传统无迹变换法有较大提升,且具有合适的精度。

在轨集群操控关键技术研究进展与展望

对在轨集群操控任务计划相关研究成果进行了综述,并聚焦于在轨集群操控中的集群航天器型谱化设计、群体行为建模与智能涌现、集群自组网、集群智能感知、集群自主任务规划与分布式自主协同控制等关键技术,分别对这些关键技术进行了系统梳理与分类阐述,总结了其发展趋势;提出了一套面向大型空间设施在轨建造的集群操控体系能力框架。有望为未来大型空间设施在轨建造及集群操控发展提供借鉴和参考。

高载荷比卫星的结构轻量化设计方法

为解决高载荷比卫星轻量化设计问题,本文对以蜂窝夹板层结构为主的卫星结构轻量化设计开展研究。对蜂窝夹层结构等效理论进行了修正和灵敏度分析,提取出影响结构板刚度和质量的主要参数;根据工程研制需求对结构参数进行优化分析;基于有限元方法进行了仿真验证。仿真结果表明:利用修正后的蜂窝夹层等效公式,计算刚度结果误差由3%降低至1%,验证了等效理论正确性。经过参数优化后的结构分系统重量减少41.6%,达到了轻量化设计目的。利用该方法设计的“新技术试验E星”已发射入轨,为后续工程实践提供了一定的参考。

大规模卫星星群域管控策略设计

针对大规模卫星星群单节点管控带来的系统通联性差、地面资源依赖度高等问题,提出了分层管理、域内自治、动态维护的卫星星群分布式域管控策略。首先,设计了衡量卫星节点管控能力的静态指数及动态指数,并提出了多因素加权的星群簇首选择方法。其次,提出了通过逐层择优的方式进行域结构初始化的算法流程。最后,根据星群变化情形,提出了基于事件触发的动态时间片域管控方法,保证了大规模星群在全任务周期内能维持相对稳定的管控构型。仿真结果表明,所提出的域管控策略能够有效完成对目标星群的簇首选择、域初始化及动态维护过程,并保持域结构的稳定。实现了目标星群在空间中的域结构划分管理,使地面直接参与管理的卫星节点数目降至原管理模式的14%,有效解决了星群管控严重依赖地面资源的相关问题。

新体制光学遥感卫星变转速环扫控制方法

针对基于圆锥扫描的新体制超宽覆盖光学遥感卫星在变转速环扫成像过程中,多条带在固定时间内有效拼接的问题,为了确保其在一个环扫周期内,卫星在相机开机期间绕对地轴慢速稳定自旋、相机关机期间变转速快速自旋,并且在下一次相机开机时刻自旋到指定的相位,提出一种bang-bang控制与固定时间控制相结合的复合控制方法。首先给出变转速姿态控制问题的数学模型,并采用两次坐标旋转,分别描述垂直于自旋轴和绕自旋轴的运动,建立光学环扫成像卫星的姿态模型。针对变转速环扫控制问题,将bang-bang控制与固定时间控制相结合,设计控制策略,并推导固定时间控制律。仿真校验结果表明,所提出的控制方法对于解决光学环扫成像卫星变转速环扫控制问题具备有效性,并具有良好的控制精度。

基于高斯混合过程的空间机器人任务空间预测控制方法

针对空间机器人的精准操控需求和任务空间控制问题,提出了一种基于高斯混合过程的模型预测控制方法。在建立的空间机器人标称模型基础上,考虑实际工作过程中由于关节摩擦、参数测量误差导致的建模误差,利用高斯混合过程对标称模型的不确定性进行精确、高效的分析和修正。其次,基于修正后的模型提出了非线性模型预测控制方法,在考虑实际物理约束,如关节限位、输入饱和等的情况下,实现了空间机器人基座和机械臂末端位姿对期望轨迹的直接精准跟踪。最后,考虑航天器在轨操控中的推力器冗余配置问题,设计了推力分配方案,并通过仿真结果校验了所设计控制方法的有效性。

耦合组合刚度非线性能量阱的线性振子动力学分析

将非线性能量阱(NES)连接到线性或弱非线性结构能吸收振动能量以达到减少振动的目的,在被动减振中具有重要的意义。该研究对耦合组合刚度NES的线性振荡器进行了动力学建模和分析,并给出了NES系统参数对减振效果的影响。首先,利用复变量平均法对耦合组合刚度NES的系统进行建模,得到了系统的慢变方程。其次,分析了鞍结分岔和Hopf分岔平衡点个数、稳定性与组合刚度NES系统参数的关系,并给出了激励幅值、频率变化对线性振子幅值的影响,这为后面减振应用的优化提供合理的参数选值具有重要意义。再次,利用能量谱和Poincare映射分析了各部分质量比、激励幅值、NES刚度和阻尼对系统减振的影响,发现了各参数对振动抑制的影响规律。最后利用能量谱验证了组合刚度NES的减振的优越性。

基于商用现货的高分辨卫星微振动抑制系统设计

提出了通过合理选取和改进商用现货(COTS)的振动参数对振动部件安装位置进行优化的方法,以解决带有高分辨率光学载荷的小卫星微振动抑制问题。与其他隔振系统设计方法不同,所提方法不需对振动机理建模,而是直接通过振动部件微振动特性分析,选取合适的COTS隔振产品并对参数进行微调;利用Newmark法对蜂窝夹层结构进行动力学响应分析,得到了振动部件的合理安装位置,取得了较好的隔振效果。仿真、振动实验和飞行数据表明,振动部件在敏感频段的微振动抑制率达到90%,整星地面测量微振动引起的次镜角位移不超过0.04″,卫星在轨微振动环境能够满足相机使用要求。所提出的微振动抑制系统设计方法为后续工程实践提供了参考。

结合局部高清图像的遥感集群目标区域超分辨率重建

近年来,卫星遥感图像的应用场景越来越广泛。但是由于采集设备有限及其成本限制,卫星传感器获取到的图像通常不具备足够的分辨率且分布不够均匀,同时部分目标聚集成群难以分辨,导致低分辨率遥感图像在目标检测与识别等空间语义理解任务上难以满足准确定位和分类所有目标的要求。相比于一次性采集完整高分辨率遥感图像,已有遥感图像通常在局部区域具有相对清晰的高分辨率,且具备足够的细节信息用于分辨目标群,而传统的遥感图像超分辨率重建方法主要关注遥感图像自身的全局特征,通过图像的全局特征进行分辨率和像素扩充,而忽视了遥感图像的细节信息。为了解决这些挑战,提出了一种将遥感图像局部聚集群目标区域的细节特征信息引入到完整遥感图像的采样重建中的方法,通过多层级的神经网络来提取不同尺度的图像特征,并通过残差学习的方式将这些特征进行融合并重建。在实验中,该方法相比主流现有的遥感图像超分辨率重建方法,在视觉效果和测试实验上都取得了更好的结果,证明该方法可以有效借助局部图像的像素信息,显著地提高全局遥感图像的细节效果和优化集群目标区域的分辨能力,提升了遥感图像的质量和可用性。

阿斯图微卫星姿态控制系统设计

阿斯图微卫星是一颗由哈尔滨工业大学牵头研制,在中俄工科大学联盟(ASRTU)合作框架下研制的一颗12U立方星,本文针对阿斯图微卫星任务进行了姿态控制系统设计及仿真分析。首先介绍了阿斯图微卫星的控制指标,通过指标分解确定了姿态敏感器及执行机构的主要性能指标。接着,根据星上敏感器的配置情况,设计了多种定姿和控制方案,并对各控制模式间的切换逻辑进行了设计。卫星姿态确定采用了基于陀螺和星敏感器的扩展卡尔曼滤波算法,姿态控制采用了偏差四元数和偏差角速度反馈的PD控制方法。仿真结果表明星敏感器有效时,姿态确定精度优于20″,姿态指向精度优于0.05°,稳定度优于0.01(°)/s,能够满足阿斯图立方星的任务要求。

在轨操控机器人拓邻域搜索三维路径规划

针对空间在轨操控机器人在桁架式空间站执行操控任务时,需要在桁架间自由穿行且时刻与空间站保持接触的任务特性,提出基于拓邻域搜索蚁群算法的三维全局路径规划方法。该方法首先建立桁架式空间站的三维栅格模型;充分考虑机器人穿行时的包络约束和操控时的接触约束,在路径规划和轨迹搜索前对被操控对象的三维栅格模型进行预处理和修正,缩减路径规划搜索空间;在轨迹搜索时,基于邻域延拓思想调节搜索步长,以提高搜索效率和路径规划速度。多次仿真实验表明,所提出的路径规划方法能提高在轨操控机器人路径规划速度与全局搜索能力,有效解决空间在轨操控机器人全局路径规划问题。

基于机群关系特征的多机协同作战任务分配

本文研究多机协同作战的任务分配问题。首先,根据不同飞机种类的特点提出了任务适应度概念,用以描述不同任务场景下各机种执行该任务的相对优劣程度。其次,根据同一机群内和不同机群间的飞机单元执行同一任务时的相互关系,提出了关系特征函数,用以描述执行同一任务时其他执行单元对自身效能的影响。再次,针对某一任务需要多架飞机单元共同完成的实战需求,设计了考虑任务适应度和机群关系特征的全局收益指标,并通过求解最优化问题实现了多机种协同作战收益最大化。最后,针对典型的多机协同作战场景,给定任务需求后进行求解,得到了任务分配结果。结果表明,所提出的方法能够充分利用不同机种的各自优势及机群内外成员关系提高全局收益,对多机协同作战任务分配问题具有重要的意义。

海上动态目标潜在区域博弈预测及搜索方法

针对遥感卫星对海上动态目标搜索定位的应用需求,提出海上动态目标潜在区域博弈预测及搜索方法。通过非对称信息假设将动态博弈转化为静态博弈,简化策略函数以提高算法效率。以收益为指标设计博弈策略,使算法更贴近实际应用,并将目标潜在区域预测算法和卫星搜索规划算法转化为纳什均衡下的最优策略求解问题。引入目的地信息,将目标位置预测的时间跨度从数小时增加到数天。实验结果显示,该搜索方法在保证了较高目标捕获率的同时,降低了遥感卫星星座的资源消耗。该搜索方法在海上动态目标搜索领域具有潜在应用价值。

变拓扑多臂航天器高效统一动力学建模

针对多臂航天器在轨操控过程中可能存在的多链、闭环、环链混合等多种拓扑构型及相应的动力学模型变化,提出基于空间算子代数理论(SOA)的高效统一动力学建模方法。首先,提出了描述多臂航天器部件连接关系的构型参数,并基于构型参数提出了多臂航天器拓扑构型描述矩阵的自主生成方法。其次,基于空间算子代数理论,将通路矩阵与空间转移算子相结合,提出了变拓扑多臂航天器统一动力学建模方法。最后,将数值仿真结果与多体动力学仿真软件的仿真结果进行比对,验证所提方法的有效性。仿真结果表明,对于不同的拓扑结构,所提出的O(n)阶统一动力学建模方法能准确描述变拓扑情况下的多臂航天器动力学响应。

基于双层博弈的多臂在轨服务航天器路径规划

针对在轨服务多臂航天器系统高精度的位姿协同要求及其运动过程中的避障约束,提出一种基于机械臂末端(腕关节)和肘关节的双层博弈多臂路径规划方法。研究建立了多臂运动学模型,在博弈论基础上建立多臂的博弈模型;给出了双层博弈的基本算法流程及其纳什均衡解的求解策略;以动目标多臂围捕为场景进行仿真分析,验证所提出算法末端精确跟踪抓取和肘部避障能力的有效性和实用性。所得结果可为多臂在轨服务航天器的智能化路径规划与控制提供新的解决方案。

基于一致性理论的多臂航天器协同控制方法

针对空间中自由漂浮多臂航天器的多臂协同问题,提出一种基于一致性理论的协同控制方法,采用有向通信拓扑与广义雅克比矩阵结合的方式,实现自由漂浮航天器多机械臂间的协同.首先,建立多机械臂间的通信关系有向图,确定“领导-跟随”体系下的主臂与从臂;其次,基于有向通信拓扑,进行主从臂末端运动规划,实现主臂运动向从臂的传递;再次,利用广义雅克比矩阵在动量守恒条件下进行末端运动向关节运动的映射,并基于一致性理论设计关节空间内的多臂协同运动控制器;最后,基于李雅普诺夫稳定性理论证明控制器的稳定性,并分析位置控制误差.仿真结果表明,所提出的控制方法可以实现多臂航天器系统空间操控任务中各机械臂的聚集、跟踪与位置协同.