一种新的多三角形星图识别算法

针对星敏感器星图识别算法只能处理少数目恒星的问题,结合天文观测相机进行星图识别的具体要求,提出了一种适合天文观测相机的多三角形星图识别算法.首先,选用欧洲空间局2000年2月发布的第谷2天文星表作为原始导航星表;其次,采用交叠矩形法分天区后建立导航星数据库;最后,根据天文观测相机拍摄的实际星图建立了观测星数据库;并应用多三角形星图识别算法进行星图识别的验证,实验结果表明:针对天文观测相机多三角形星图识别算法是可行的,也是可靠的.

星敏感器模型参数分析及校准方法研究

对星敏感器的实际测量模型和模型参数的校准方法进行了深入研究。首先,在星敏感器理想测量模型的基础上,充分考虑焦距偏差、光学系统的成像畸变、图像传感器感光面的倾斜、图像传感器感光面的旋转和主点偏差等因素对导航星实际成像位置的影响,用几何的方法建立了星敏感器的实际测量模型,其次,分析了各因素对星敏感器测角精度的影响规律;通过实测校准数据,借助最小二乘法求解模型参数,完成了星敏感器的校准。实验结果表明,测角精度得到了提高。

欠驱动挠性航天器的全姿态控制

考虑欠驱动挠性航天器姿态控制问题,其中执行机构配置为两轴喷气和飞轮执行机构。提出了"喷气消旋+飞轮机动"的分段控制方法,其基本思想是:首先利用喷气推进执行机构使航天器整星角动量趋于零,为飞轮控制做准备;然后利用飞轮执行机构使航天器从任意姿态转向指定姿态并维持。针对"喷气消旋",说明了提出的控制规律能够保证航天器角动量全局渐近收敛于任意小量;针对"飞轮机动",证明了航天器全姿态具有大范围渐近稳定性;针对"喷气消旋+飞轮机动"的完整过程,采用扰动系统理论分析了闭环控制系统的大范围终端有界性。

基于时频域分析的轮控航天器姿态控制规律参数整定

研究了轮控航天器姿态控制规律的设计与参数整定问题。采用xyz转序欧拉角描述航天器姿态,建立了航天器动力学及运动学方程,并设计了非线性解耦控制律,使得各回路可独立设计PID控制器。以滚动回路为例,分析了PD控制参数与系统带宽、截止频率、相位裕度等多项频域指标的关系,从而设计有效的稳态控制器以应对挠性结构振动和系统时延等;接着根据姿态控制特性给出了积分参数选取及积分饱和处理策略;同时为快速完成姿态机动,结合时间最优控制特性分析了控制参数与机动角度的关系;此外,执行机构效率和系统干扰力矩等因素也被用于控制参数域的整定。最后利用整定策略设计了某型卫星的姿态控制器,并通过频域分析和数学仿真检验了该方法的有效性和实用性。

基于补偿方法的高超声速滑翔飞行器多变量输出解耦控制

针对高超声速滑翔飞行器特殊的气动外形,采用BTT(倾斜转弯)控制进行横向机动。首先进行三通道独立设计,然后加入协调控制支路进行补偿解耦,其中三通道独立设计采用自适应PID方法,控制器参数随飞行高度和速度的变化而变化。在分析系统交连耦合程度的基础上提出了按交连耦合项系数大小进行补偿的方法,并以此方法设计了变增益的协调控制支路来补偿系统的交连耦合。最后通过三自由度非线性仿真对控制方案和控制参数进行检验,仿真结果表明,该方案是正确的,控制参数的选择是合理的,达到了严格控制侧滑角的目的。

单轴飞轮故障时的小卫星姿态控制方法研究

反作用飞轮和磁力矩器是现代小卫星姿态控制的主要执行机构,针对单轴反作用飞轮故障仅能提供两轴控制力矩的情况,提出了一种使用磁力矩器和反作用飞轮进行联合控制的算法。首先推导了一种拟PD姿态控制律,在此基础上提出了剩余两反作用飞轮和磁力矩器的控制力矩分配策略。仿真结果表明,该算法能够在单轴飞轮故障情况下完成小卫星高精度姿态控制任务,延长航天任务寿命,算法鲁棒性好,设计简单且易于在轨实时计算。

基于干扰观测器的惯性动量轮高精度控制

为了提高惯性动量轮的输出力矩精度,针对惯性动量轮存在的内干扰力矩,提出一种基于干扰观测器的扰动抑制策略.通过建立惯性动量轮动力学模型,分析得出目前的惯性动量轮力矩控制不能无差地跟随阶跃力矩指令,进而设计了干扰观测器,并根据估计出的扰动力矩计算得到补偿控制电压.设计控制系统并采用该方法,在惯性动量轮工程样机上进行实验研究.结果表明:采用基于干扰观测器的扰动抑制策略,使惯性动量轮输出力矩精度从0.01 N·m提高到0.002 N·m,转速和力矩响应曲线更平滑.

基于极限学习机的有限时间自适应姿态控制

对存在转动惯量未知摄动和角速度有界约束的航天器姿态控制问题,设计了一种基于非奇异终端滑模面的有限时间姿态跟踪控制器。预设有界虚拟角速度作为外环系统的控制输入,使姿态角快速收敛到期望姿态。将外环虚拟角速度作为内环系统的期望轨迹,采用极限学习机(Extreme Learning Machine,ELM)在线估计包含未知转动惯量的部分,并基于非奇异终端滑模面设计了一种自适应姿态控制器,使内环输出角速度在有限时间内精确跟踪预设虚拟角速度,满足了角速度有界约束。理论分析了闭环系统的全局渐近稳定性。数值仿真了在轨抓捕非合作目标过程中的航天器姿态控制问题,验证了本文控制器的合理性和姿态控制器的优良品质。

IGSO卫星地球敏感器受两极红外辐射波动影响分析

指出IGSO卫星轨道及姿态运动特点使得地敏探头会扫描经过两极区域,通过国外案例介绍说明分析工作的必要性。简要介绍摆动扫描式红外地球敏感器的复合视场及工作原理,重点分析地敏受两极地区红外辐射波动影响,说明地敏输出姿态角误差成因,建立基于STK软件的仿真工程,对地敏探头受扰情况进行仿真分析。提出解决地敏受两极红外辐射干扰问题的处理措施,利用仿真预报的受扰时段进行探头干扰保护,确保地敏输出姿态角正常。

基于相似反对称结构的大角度机动姿态控制器设计

针对航天器在大角度机动模式下的姿态控制问题。提出两种以相似反对称非线性结构作为期望闭环系统结构的姿态控制器设计方法。第一种方法是一种直接构造方法,其关键思想是利用运动学子系统的零输入稳定性,使设计一步完成,而且得到的控制器具有简单的结构。在第二种方法中,姿态误差的积分变量被引入姿态运动模型中,然后进行面向系统结构的逆推设计,得到含有积分作用的姿态控制器,与常规逆推设计的姿态控制器相比,设计过程较简单。仿真结果表明了设计方法的有效性。

抓捕航天器的多环递归姿态跟踪控制

为提升存在控制饱和约束抓捕航天器的姿态跟踪精度,先引入姿态跟踪误差的积分项,将广义二阶姿态控制系统扩展成广义三阶姿态跟踪动力学系统,并给出扩展系统控制目标的设计方法;接着对扩展系统提出多环递归跟踪控制策略,设计了一种辅助动力学系统在线消除控制饱和约束,给出保证闭环系统渐近稳定的自适应多环姿态跟踪控制器。数值仿真显示,该方法能有效提升姿态跟踪精度,且姿态跟踪轨迹具有优良的动态品质。

基于ASUKF的火星探测器脉冲星自主导航方法

脉冲星导航可靠、稳定、精度高,是实现火星探测器自主导航的有效手段之一.针对脉冲星导航中脉冲到达时间的微小误差会引起巨大的位置估计误差这一问题,提出了一种基于扩维Unsented卡尔曼滤波(ASUKF,Augmented State Unscented Kalman Filter)的火星探测器脉冲星自主导航方法,建立了以位置、速度和脉冲到达时间的常值测量误差作为状态量的导航系统数学模型,可在对探测器位置、速度进行估计的同时有效估计并修正脉冲到达时间的常值测量误差,并降低随机测量误差的影响.仿真结果表明该方法的导航定位精度可达350 m以内,可以满足火星探测自主导航的需要.

航天器机动时DGMSCMG磁悬浮转子干扰补偿控制

双框架磁悬浮控制力矩陀螺(DGMSCMG)具有寿命长、综合效益好等突出优势,但航天器机动时,航天器及DGMSCMG内、外框架系统的转动均导致磁悬浮高速转子产生一定的耦合运动,影响磁悬浮转子系统的稳定性,同时使输出力矩精度下降,从而严重影响航天器姿态控制的精度。本文建立了基于DGMSCMG的航天器动力学模型,分析航天器、外框架、内框架、磁悬浮转子四者之间的动力学耦合关系。针对磁悬浮转子的非线性耦合干扰,提出一种基于复合控制的补偿方法,通过磁轴承产生相应的电磁力,对陀螺耦合力矩和惯性耦合力矩进行补偿控制。仿真结果表明,干扰补偿控制能有效抑制航天器及框架对磁悬浮转子的耦合干扰,也有效提高了磁悬浮转子系统的稳定性。

基于递推差分进化算法的空间机器人参数辨识

针对空间机器人抓取未知目标时的特性参数以及关节摩擦系数的辨识和在线修正问题,提出一种基于递推差分进化算法的实时参数辨识方法。首先采用静态连续摩擦模型描述机器人的关节摩擦特性,并建立两关节空间机器人的非线性动力学模型,然后基于差分进化算法和递推最大似然估计法推导出递推差分进化算法,并用于空间机器人的参数辨识,最后仿真校验了该辨识方法的有效性。仿真结果表明,该算法的辨识精度优于遗传算法和最小二乘法,辨识速度较快,能满足遥操作的要求,且对于动态信息有较好的跟随性。

满足多终端约束的二次曲线迭代制导方法研究

某些空间载荷会对入轨精度和入轨姿态同时提出很高的要求,应用于运载火箭控制系统的摄动制导方法的入轨精度无法满足要求,而传统的迭代制导方法无法约束终端的入轨姿态。为此提出了一种满足多终端约束的二次曲线迭代制导方法,该方法通过二次曲线形式规划整个真空段的飞行制导程序角,实时满足位置、速度与终端姿态约束,从而可以使得火箭以期望姿态角实现高精度入轨。算例结果表明,该方法能同时保证高精度的入轨指标和入轨姿态,并能适应偏差状态、约束姿态角变化与轨道根数小幅变化,具有较高的工程应用价值。

应用相近模式向量的主星星图识别算法

在分析主星识别算法和三角形识别算法不足的基础上,提出了一种改进的主星星图识别算法。该算法在构造导航星表时,通过旋转角距的方式构造匹配向量、引入相近模式向量,同时将旋转角距向量的模、主星的邻域伴星数目及主星的最小角距作为相近模式向量的限制条件,用来减少匹配次数,提高检索效率;在星图识别过程中,首先利用向量叉乘法进行主星识别,在不成功的情况下采用三角形算法做进一步识别。仿真结果表明:该算法兼具主星识别算法和三角形算法的优点,当存在2 pixel的位置噪声时,识别成功率达到97.24%,平均识别时间仅为6.47 ms。

基于反馈摄动的航天器姿态正规矩阵控制

研究三轴稳定的挠性航天器姿态的鲁棒控制问题.由混合坐标方程导出姿态动力学逆传递函数矩阵,并分析其正规性.基于正规性分析结果,使用系统不确定性反馈摄动描述对姿态控制系统的正规矩阵设计方法进行研究.研究结果表明,逆传递函数矩阵可视为正规矩阵,且动力学参数的摄动不影响其正规性.利用这一特性,提出一种适用于航天器姿态控制的正规矩阵设计方法.在该方法中,航天器姿态的鲁棒控制可以通过增加参数约束达成对三轴姿态的独立控制,从而提高设计的可继承性.计算机仿真验证了该设计方法的有效性.

基于多视场星敏感器的姿态确定方法

星敏感器是目前航天器姿态测量精度最高的器件,与传统的单视场星敏感器相比,多视场星敏感器可以实现三轴同样高精度的姿态测量,提高姿态测量精度;针对单视场星敏感器姿态确定问题,推导了以最小代价函数为指标的QUEST姿态确定算法;对于多视场星敏感器,通过坐标变换方法将多个视场的导航星矢量转换到同一视场中,再利用QUEST算法得到航天器姿态;最后仿真结果表明,坐标变换后进行姿态确定得到的姿态数据与单个视场所得的姿态数据相同,验证了方法的正确性。

多星敏感器测量最优姿态估计算法

多数利用星敏感器加陀螺组合的姿态确定方法中,由于星敏感器精度较高,使得系统定姿的精度比较高.然而,姿态确定的算法因观测模型和误差处理不当,导致滤波器观测修正能力下降,从而不能有效地估计陀螺的漂移误差.提出了基于星敏感器观测姿态角的误差建模,研究了多星敏感器组合的最优安装构型和观测融合方法.利用加权最小二乘法对观测数据的预处理,使观测方程定常化.再利用陀螺加星敏感器组合的扩展Kalman滤波(EKF,Extended Kalman Filtering)对航天器姿态和陀螺漂移进行估计.仿真结果表明,提出的多星敏感器最优组合的滤波方法能够有效精确地估计卫星三轴姿态和陀螺漂移,且该方法计算量小,有利于卫星定姿系统的在轨自主运行.

基于间接量测的卫星相对导航

研究了以微波雷达作为相对测量设备的追踪星与近圆轨道上运行的目标星之间的自主相对导航问题。通过对卫星相对运动方程简化得到了线性的卫星相对运动方程。采用以雷达输出确定的直角坐标系下的相对位置作为量测,避免了直接使用雷达输出作为量测时量测方程的非线性问题,并给出了间接量测噪声方差矩阵的构造方法。根据线性的相对运动方程和量测方程设计了基于标准卡尔曼滤波器的相对导航算法。根据某微波雷达的性能参数进行的仿真结果表明:该算法与采用雷达的直接输出和EKF的算法导航精度相当,然而该算法避免了求解雅可比矩阵的繁琐过程,使滤波器的设计工作得到简化。