一种面向旋转空间站的绕月双曲交会导引控制方法

针对面向环月旋转空间站的绕月双曲交会导引过程,提出一种多阶段导引控制方法。关于近程导引的设计,采用连续推力条件下相平面开关控制的方法进行制导。关于远程导引的设计,提出基于偏差演化线性近似法的脉冲修正控制方法,达到了远距离粗制导的目的。对可能存在的异面偏差扰动,采用一种阻尼振动形式的控制加速度进行异面偏差修正。仿真结果表明,该方法能够精准高效地解决面向旋转空间站的绕月双曲交会导引控制问题。研究结论可为降低载人月球探测任务运输成本提供参考。

采用二次修正的立方星拦截仿真研究

针对空间攻防背景下立方星拦截问题,提出了一种Lambert求解与C-W方程结合的以燃料-时间为约束的拦截轨道快速设计方法。该方法首先在Lambert求解框架下,以燃料和拦截时间为限,建立了立方星转移时间与速度增量的模型,生成了初始拦截轨道;随后根据末端拦截精度需求,通过C-W方程进行末段导引,施加二次脉冲,对拦截轨道末端进行误差修正,使得最终误差可以满足任务要求。最后通过GMAT构建的轨道力学环境,在Matlab算法驱动下进行联合仿真验证,分析表明该算法在燃料和时间的共同约束下可获得一条优化轨道,并能兼顾末端拦截精度,具有工程借鉴意义。

非合作目标自主交会对接的椭圆蔓叶线势函数制导

针对非合作式航天器自主交会对接任务的安全性要求,提出了一种基于椭圆蔓叶线的人工势函数制导方法。首先根据视线坐标系建立了相对动力学方程与状态方程。进而应用人工势函数制导方法解决了非合作目标航天器自主交会对接与静态障碍物躲避问题,并且把势函数方法与椭圆蔓叶线函数相结合,解决了追踪航天器在接近目标航天器时运行在安全走廊中的安全性要求。应用Lyapunov稳定性理论证明了在所提出的制导方法控制下系统的稳定性。最后,用精确的数学模型进行了计算机数值仿真,验证了所提出的制导控制方法的正确性和有效性。

基于自适应模拟退火遗传算法的最优Lambert转移

主要研究了航天器采用Lambert二脉冲变轨的优化问题。对于初始位置、目标位置和转移时间都不固定的Lambert二脉冲转移,由于多变量以及方程本身的复杂性,采用传统的优化方法效率低甚至无法求解.采用了自适应遗传算法(AGA),寻求多变量的最优解.同时结合模拟退火算法,得到了自适应模拟退火遗传算法(ASAGA),该算法既具有全局搜索能力,又改善了一般遗传算法的局部寻优能力.通过仿真,比较了遗传算法和自适应模拟退火遗传算法的寻优结果,表明两者寻求最优转移的有效性,以及自适应模拟退火算法具有更强的寻优能力.

周边式对接机构的航天器首次接触撞击点的确定

对周边式对接机构的航天器进行了研究，在对接捕获过程中首次接触撞击点的确定问题。文中建立了三类可能接触区域的空间解析描述关系式，根据空间“点”投影的不变性原理，给出了确定可能接触点的数学方程，使原问题由三维空间问题简化为二维平面问题，其难度和复杂性都大大简化。最后，文中还给出了多组算例。

基于自适应神经模糊系统的高超声速飞行器再入预测制导

针对高超声速飞行器再入运动过程模型的非线性特性,提出了一种基于自适应神经模糊系统(ANFIS)的再入预测校正制导方法。在以能量为自变量的三自由度再入方程的基础上分别设计了纵向制导律和侧向制导律。以能量和剩余航程偏差为输入参数,侧倾角调节量为输出参数,设计了ANFIS控制器,并将其应用于纵向制导。侧向制导基于横程与能量的近似线性关系,设计了由分段漏斗形横程走廊控制的侧倾角反转逻辑。仿真结果表明,所设计的制导律具有制导指令解算速度快,制导和落点精度高且对再入初始偏差及过程扰动不敏感的优点。

空间绳系机器人超近距视觉伺服控制方法

针对空间绳系机器人超近距视觉伺服中相对位姿无法测量的问题,在建立机器人视觉系统非线性量测模型的基础上,提出一种基于直线跟踪的混合视觉伺服控制方法,利用帆板支架边缘线图像特征跟踪相对位姿,利用基座具有较大误差的量测信息保证控制系统的稳定性。仿真试验结果表明:在仅能获得帆板支架边缘线图像信息的情况下,设计的超近距逼近控制方法能够保证空间绳系机器人稳定到达目标卫星的帆板支架处,并满足捕获条件。

基于预测校正法的高超声速飞行器再入制导

针对新一代高超声速飞行器在制导方法的精度及抗干扰能力上的要求,提出了一种基于能量的预测校正制导方法.建立了以能量为自变量的三自由度运动学方程,给出再入过程中的主要约束条件,在此基础上分别设计纵向制导律和侧向制导律.在纵向制导律中,不断预测剩余航程相对理论目标点之间的偏差,并以此偏差作为模糊校正器的输入,输出合适的侧倾角更新值,从而达到校正效果,保证纵向制导精度;在侧向制导律中,设计了一种基于横程偏差的侧倾角反转逻辑,当横程偏差超过所设定的边界条件时,侧倾角便进行一次反转,从而保证侧向制导精度.分别在标准初始条件下和存在偏差条件下进行了数值仿真,仿真结果验证了所设计的制导律的有效性.

空间绳系机器人目标逼近姿态协调控制

针对空间绳系机器人对目标逼近过程中的姿态协调控制问题,设计了一种基于可移动系绳点的姿态协调控制机构,利用系绳实现姿态的协调控制。针对该类型空间绳系机器人,进行动力学建模,并对其动力学特性进行了分析。为了克服利用系绳拉力进行姿态协调控制过程中,拉力波动对姿态控制的影响,采用具有较强鲁棒性的滑模变结构方法设计了姿态协调控制器。可移动系绳点的姿态协调控制机构提供空间绳系机器人两个方向的姿态控制力矩,另一个方向的控制力矩通过空间绳系机器人自身提供,从而实现逼近过程中姿态协调控制。仿真结果表明,通过可移动系绳点的姿态协调控制机构,利用系绳拉力可实现空间绳系机器人目标逼近过程中的姿态控制,并且达到节省姿态控制燃料消耗的目的。

基于遗传算法的最优Lambert双脉冲转移

研究了初始位置和转移时间不固定的Lambert双脉冲轨道转移的数值解,用三维图和截面图直观显示了初始位置、转移时间和速度增量的关系,并说明了其在实际工程任务中的应用价值.基于数值解,提出了Lambert双脉冲轨道转移的优化问题.目标是找到最优初始位置和转移时间,使燃料和时间的加权和最小.给出了遗传算法求解该优化问题的设计步骤.该算法应用于2个算例:①平面圆轨道的燃料最优转移,并将遗传算法和Hohmann转移的结果进行了比较;②椭圆轨道、初始位置有约束的燃料和时间最优转移.结果说明了遗传算法寻找最优转移解是准确有效的.

非合作自主交会对接动态障碍物躲避模糊制导

提出了一种基于Gaussian势函数的模糊制导方法,完成了非合作式航天器自主交会对接及相关任务。首先根据视线坐标系建立了系统相对运动状态方程。进而应用模糊控制方法完成了非合作目标飞行器的自主交会对接任务,同时应用基于Gaussian势函数的模糊制导方法解决了动态障碍物的躲避问题。随后研究讨论了两种不同情形下动态障碍物的躲避。最后,用精确的数学模型进行了数值仿真,验证了制导方法应用于所研究问题的正确性和有效性。

非合作式自主交会对接的终端接近模糊控制

研究了非合作式自主交会对接(AR&D)的终端接近问题。文中根据视线相对运动方程,设计了一个模糊控制器来实现终端接近制导。通过选择合适的模糊输入变量,设计了三个通道独立的模糊规则库。用乘积推理机、单值模糊器和中心平均解模糊公式获得模糊控制器输出。最后,本文用精确的轨道模型进行了数值仿真,验证了该模糊控制器是可行的,该控制器满足非合作式自主交会对接终端接近的高精度、安全无碰撞的要求。

一种基于EPSO的航天器交会轨迹优化方法

研究了航天器在固定时间内燃料最省的多脉冲交会问题,提出了一种基于种群熵粒子群优化(Population Entropy based Particle Swarm Optimization,EPSO)算法的交会轨迹优化设计方法。采用线性化C-W方程描述航天器的相对运动,以能耗最优为控制目标,得到了基于连续推力的最优转移轨迹,用于确定脉冲点的位置。考虑工程实用性,采用多脉冲控制方法,利用脉冲点的位置参数建立了以脉冲点时间间隔为决策变量的优化目标函数,并用EPSO算法进行求解。在EPSO中,种群熵描述粒子在搜索空间中位置分布的混乱程度,并通过上一代的种群熵确定下一代的搜索空间,从而减少搜索空间的浪费,提高了算法的搜索速度和收敛精度。仿真结果表明,算法本身具有良好的优化性能,适用于航天器轨迹优化。

小推力速度闭环交会制导律设计

在空间飞行器交会对接的近程导引阶段,以小推力喷气发动机作为执行机构,同时完成轨道控制和姿态稳定。基于C-W方程提出了速度闭环交会制导方案,依据转动惯量是否为对角占优阵,姿态与轨道协调控制采用分时控制方案或同时控制方案,轨控推力和姿控力矩指令由同一套小推力发动机来执行。分析了此方案的制导误差,并提出了分步多推力弧段的小推力交会制导方法以提高制导精度。基于MATLAB/Simulink仿真平台实现了两个空间飞行器的分步多推力弧段近程交会导引仿真,仿真结果证实了所采用方法的有效性。

伴飞航天器燃料最优交会

应用遗传算法针对伴飞航天器由共面椭圆伴飞轨道不同位置出发,与中心航天器进行直接碰撞交会和软交会的燃料最优问题,进行了历遍求解。根据计算结果,应用多元线性回归分析得到了直接碰撞最优交会问题的解析解表达式。直接碰撞最优交会问题的解析解可作为软交会问题的次优解。

基于蚁群优化的长短时神经网络变外形飞行器故障模式识别

变外形飞行器机械结构复杂,在变外形过程中发生故障的概率大,传感器测量成本高,针对这些问题,提出了一种基于长短时神经网络进行飞行器测试故障诊断的方法。首先根据变外形飞行器的气动参数模型和非线性动力学模型,构建变外形飞行器执行机构故障特征数据库。然后针对变外形飞行器发生故障时的序列化特征数据,提出基于长短时神经网络的执行器故障诊断框架。利用蚁群优化算法对网络训练的超参数进行优化,提高故障诊断的准确性与泛化性。通过仿真验证了该方法可实现变外形飞行器的低成本、高效率、高精度的故障快速定位。

空间交会的末端控制模式

以距离速率控制算法和全方位距离速率控制算法为基础构造的三种末端交会控制模式具有普遍的应用意义，适用于多种多样的交会任务，包括在大椭圆轨道上的飞船交会。受控运动轨迹平稳、形态可选、而控制和推进系统本身简单易行、计算机仿真效果很好。

小天体高速撞击器视线制导律设计

针对小天体高速撞击器设计了一种视线制导律。为了解决轨道修正机动时机选取问题,本文引入B平面点位误差椭圆描述预测撞击点的置信度,通过控制撞击点落入指定的误差椭圆概率区域内,将轨道修正机动时刻选取问题,转化为对发动机开关曲线的设计。该制导律利用当前位置、速度信息构建视线旋转角速度与距离变化率,驱动发动机开关抑制视线的旋转角速率,使其最终撞击到目标点上。严格的蒙特卡罗仿真表明,该制导律在节省燃料的同时,可以使撞击精度比预测制导方法提高100米以上,达到250米以内。

基于序优化理论的三脉冲交会燃料寻优

多数交会燃料寻优是基于"线性化相对运动方程(即Hill方程)"求解"最优"燃料消耗的框架进行的,当相对距离较远时,这种方法精度很低,优化得到的控制量无法满足终端精度要求。以寻的段三脉冲燃料优化为例,以搜索的方法进行控制参数寻优,此时搜索空间较大;通过引入"序优化"思想,有效缩小搜索空间,提高搜索效率,求解得到"足够好"的燃料消耗,并给出适合工程实现的燃料优化步骤。仿真结果表明由此得到的控制参数可以满足终端精度要求,且计算量很小。

基于引导型人工免疫算法的最优Lambert变轨

主要研究了燃料最省的Lambert双脉冲变轨问题.首先对普适变量法进行改进以避免奇异,并将其用于Lambert双脉冲变轨问题的求解.然后针对只给定初始时刻追踪航天器和目标航天器的轨道要素及总时间约束的交会问题,引入调相时间的概念,并将其和转移时间作为Lambert变轨的优化变量.最后采用引导型人工免疫算法GAIA(Guiding Artificial Im-mune Algorithm)对该优化问题进行寻优.仿真算例表明,与自适应遗传算法AGA(Adaptive Ge-netic Algorithm)相比,GAIA具有更强的寻优能力和更快的寻优速度,从而验证了GAIA用于最优Lambert变轨的有效性.