基于测地线的航天器集群隐蔽机动轨迹规划

针对航天器集群隐蔽机动问题,提出一种基于测地线的航天器集群轨迹规划方法。该方法将轨迹规划问题抽象到微分流形拓扑空间中,通过数学定义赋予空间结构度量。首先将集群的运动约束、避撞约束以及隐蔽构型约束等非凸约束集成到度量中,避免增加系统维度的同时无需进行约束凸化处理。进一步定义了一个依赖于流形度量的目标泛函,利用同伦变换将泛函局部极值问题转为偏微分方程求解问题。数值仿真结果表明,相比于模型预测-序列凸规划算法,该方法在解决了隐蔽机动非凸多约束问题的同时,具有不依赖于初始猜想、集群内部隐蔽覆盖性高和系统控制输入小的特点,能够为航天器集群提供有效的隐蔽机动轨迹。

基于协同粒子群算法的航天器集群动态路径规划算法研究

针对航天器集群在考虑障碍物规避前提下到达动态目标点的路径规划问题中,传统粒子群算法的搜索半径固定,会导致航天器在接近目标点时难以寻找到较优值的问题,将各成员航天器的轨道动力学问题转换为一种考虑约束下的最优化问题,提出了一种基于协同粒子群算法(CPSO)的路径规划方法:提出一种随着航天器与目标点之间距离变化而改变搜索半径的动态半径搜索法,并以此对CPSO算法进行改进。改进的CPSO算法通过动态搜索半径自主寻找当前时刻各成员航天器的最优路径,从而得到三维空间中航天器集群动态路径规划问题的最优解。仿真结果表明,采用改进的CPSO算法不仅可以得到航天器集群动态路径规划问题的最优解,还可以大大减少其路径规划中的燃料消耗量,提高各成员航天器路径的稳定性。

基于椭圆空腔虚拟势场的航天器集群控制方法

航天器集群由多个航天器在空间轨道上近距离飞行,进行信息交换,并相互协同共同完成空间任务。航天器集群作为智能集群在空间领域的表现形式,是智能集群的重要组成部分。当前,许多空间科学研究机构提出了多个航天器集群的研究计划,如ANTS计划、APIES计划等。文章以在小行星带探测航天器集群为研究对象,提出了航天器集群的自组织控制方法,利用虚拟势场力使得与这个参考航天器构成最大距离可控的空间构型,从而保证了航天器集群中的所有航天器共同构成松散空间构型。

太空探索正在进入航天器集群时代

随着科学技术的发展,现代小卫星的优势越来越明显,一方面,以美国、欧盟为首的航天大国已经将现代小卫星技术列为航天技术发展的重点领域之一;另一方面,多颗小卫星协同工作完成复杂太空探索任务已成为当今国际航天领域的一个研究热点。航天器集群的应用与开发必将成为未来国际太空发展的战略重点。为了全面地呈现这一技术,本文首先讨论微纳航天器集群概念的产生、定义和功能,介绍了集群鲁棒性、容错性和可扩展性,指出了航天器集群的优势,然后归纳和总结了国内外航天器集群的应用模式,并比较详细地分析了未来的国外航天器集群项目的应用模式和价值,在此基础上指出了航天器集群的关键技术要点和问题。

航天器集群构形控制的虚拟弹簧阻尼网络方法

针对航天器集群质心相对运动构形控制问题,提出了一种基于虚拟弹簧阻尼网络的分布式控制方法。航天器间以虚拟的弹簧阻尼器相互连接,弹簧的原长根据期望的相对运动构形来设定。各航天器的控制输入是与其相连的所有弹簧阻尼器的合力。在线性动力学模型和拓扑结构连通且固定的假设下,基于代数图论的方法推导出了闭环系统稳定性条件。对近地轨道上100个航天器形成格点相对运动构形和20个航天器形成时变距离的椭圆构形的实例进行了仿真,考虑了轨道摄动的影响,结果表明,集群通过虚拟弹簧阻尼网络控制可实现期望构形,并能达到厘米量级的构形保持控制精度。该控制方法不改变集群的质心,只需施加很小的控制加速度;仅基于局部的邻居交互,能够适应大规模集群对分布式控制的要求。

基于局部信息的分布式航天器集群重构

航天器集群的目标是使用尽可能小的燃料消耗完成队形重构任务。为了研究基于局部信息分布式航天器集群的重构问题,利用双脉冲交会机动原理设计了3种避免碰撞的目标选择策略。策略1在目标点发生冲突时根据与目标的距离确定目标点的选择,并使用单位脉冲来避免碰撞;策略2更改了避免碰撞的策略,当两个航天器不止一次相遇时,交换两个航天器的目标点;在策略3中,更接近目标点的航天器具有更高的优先级,当两个航天器不止一次相遇时,也会交换两个航天器的目标点。对3种策略分别对给定位置、不同完成时间、随机位置进行对比,数值仿真结果表明,这3种策略都可以在规定的要求下完成航天器集群重构。对于不同的完成时间和给定位置,策略3的燃料消耗要比策略1低并且在大部分完成时间下也要比策略2的燃耗低,在随机位置测试中大概70%的情况策略3比策略1燃耗低且整体更加稳定。

航天器集群协同目标伴飞分布式控制

研究航天器集群协同目标伴飞问题,提出一种分布式自适应控制策略,使得每个跟随航天器在相对于目标航天器的指定位置与其保持相对静止状态。首先,为解决目标的运动信息只对于部分航天器已知且目标的加速度不可测量的问题,设计了分布式姿态和位置观测器;然后,将观测值作为每个跟随航天器的期望轨迹,设计了一种不依赖惯性参数的自适应控制策略。稳定性分析证明所提出的分布式自适应控制策略保证了受控闭环系统是一致渐近稳定的。最后,仿真算例验证了该控制策略的有效性。

集群航天器鲁棒自适应快速任务分配

针对集群航天器协同观测任务分配问题,提出一种基于深度神经网络和鲁棒自适应拍卖算法的快速任务分配策略。为提高燃料消耗指标的计算效率,利用深度神经网络直接预测连续推力转移轨迹的燃料消耗,避免在线规划相对运动轨迹。通过构造虚拟收益矩阵和分配向量使得拍卖算法适用于航天器数与任务数目不一致的分配问题。为提高拍卖算法的收敛速度,提出报价增量自适应调整策略。考虑到通信失联、航天器故障等不确定因素,通过在线调整故障航天器的收益和报价矩阵以提高算法鲁棒性。数值仿真表明深度神经网络对燃料消耗指标预测精度高,基于深度神经网络和鲁棒自适应拍卖算法的快速任务分配策略可在保持计算精度的同时,将计算效率提升约两个数量级。

一种基于自适应种群变异鸽群优化的航天器集群轨道规划方法

航天器集群在复杂条件下的轨道规划问题是当前航天领域的热点以及难点.本文针对分布式集群航天器在队形变换过程中的轨道最优规划问题进行了研究,提出了基于自适应种群变异的鸽群算法(adaptive population variation pigeon-inspired optimization,APVPIO).本文对经典PIO算法中的核心演化算法、演化停滞以及易陷入局部最优解问题进行了研究.同时针对经典PIO算法的适应度函数进行了研究,并且结合轨道规划问题进行了改进.最后基于自适应种群变异的鸽群算法进行了仿真实验,结果表明,APVPIO算法,相比于经典PIO算法、PSO算法在极大减少计算量的同时,有更优规划结果、更深的种群演化深度以及更快的收敛速度,可以满足航天器集群在复杂约束条件下的轨道规划问题.

分离模块集群航天器发展概况

分离模块集群航天器是分布式空间系统的一种创新应用。从拓扑结构、自组织网络、无线通信、集群飞行导航与控制、分布式计算,以及无线能量传输6个方面概述了分离模块集群航天器的发展状况,介绍了分离模块集群航天器的任务——昴宿星计划,分析了分离模块集群航天器的性能特点以及应用前景,以期为发展我国的分离模块集群航天器提供参考。

近地轨道集群航天器电磁编队飞行非线性反馈控制方法

针对近地轨道集群航天器电磁编队飞行的动力学和控制问题,提出了一种非线性反馈控制方法.基于电磁力模型和地磁场模型,分析了地磁场对近地轨道电磁编队的影响;建立了集群航天器电磁编队高精度相对轨道动力学模型;基于Lyapunov稳定性理论设计了一种非线性反馈控制律,利用该方法对两星电磁编队维持控制进行了仿真验证.仿真结果表明,地磁场引起的电磁干扰力可以忽略,但是电磁干扰力矩的影响必须考虑;近地轨道集群航天器电磁编队是可控的,所设计的控制方法是可行的.

基于无线网络的集群航天器控制系统重构技术研究

集群航天器由多个自主协同工作执行在轨任务的成员航天器构成,设计一种基于无线网络的集群航天器控制系统,除了成员航天器间采用无线网络通信,成员航天器内部同样采用无线网络通信,取代传统的CAN总线连接,同时提出了一种系统重构方案和多线程设计方案,用以实现集群航天器的系统重构和功能增强,并通过实验演示了集群航天器系统的重构和功能增强的过程.

J2摄动下基于平均轨道要素差的集群航天器空间圆形编队设计

集群航天器是通过无线连接方式构成的虚拟航天器系统,考虑J2摄动下其在太阳同步轨道的空间圆形编队设计,对满足其模块间能量传输、数据交互的需要和应用需求具有重要意义.基于主、从模块平均轨道要素差建立了相对运动模型,并给出了空间圆形编队的详细设计步骤;在零J2摄动条件不再适用时,通过定量分析J2摄动对该编队构形的影响,提出了相应的修正公式;将模块修正后的平均轨道要素转换为初始时刻密切轨道要素确定了初始编队构形.采用无奇点的新四元数轨道要素进行J2摄动分析,仿真结果验证了设计方法的有效性.

集群航天器网络发展现状及关键技术

为研究新兴集群航天器网络的发展现状及其亟需解决的关键技术难题,对目前该领域的文献进行了分析与总结.集群航天器是一种通过无线链路进行信息交互的,多航天器间协同工作的新型航天器构架,服务于未来日益复杂多样的空间探索任务.首先,结合卫星集群的定义,明晰了集群航天器网络的概念.然后,分析目前分布式协同工作的空间探索任务,阐述了集群航天器的发展历程,并从图论和轨道动力学角度描述了集群航天器网络的特征.最后,总结了集群航天器网络发展过程中亟需解决的关键技术难题,包括网络拓扑控制技术、路由技术、空间互联协议技术、协议跨层资源调配技术等,并结合其他领域研究热点提出了相应的发展建议.研究表明,集群航天器网络的技术研究尚处于初始阶段,仍有许多技术难题亟需解决,同时,成熟的互联网、移动传感器网络等可作为关键技术难题突破的参考.

集群航天器球形边界控制

集群航天器由于其独特的优势,在未来航天任务中将举足轻重,其边界控制也随即成为研究热点.针对近距离伴飞的圆轨道集群航天器,以集群航天器蜂拥控制模型为基础,通过集群航天器球形边界的定义,运用粒子群优化算法,实现了稳定状态下集群航天器的边界参数寻优.采用球形空腔势函数的控制方法,结合集群航天器边界参数反馈信息,实现了对集群航天器球形边界控制,并仿真验证了算法的可行性.

基于终端滑模的集群航天器电磁编队有限时间控制

针对集群航天器电磁编队系统强非线性的动力学特性,提出了一种基于非奇异终端滑模的有限时间控制方法。首先,建立了电磁力模型,分析了远场偶极子模型的适用范围;其次,建立了电磁编队动力学方程;接着,针对非线性动力学方程,设计了有限时间收敛的非奇异终端滑模面和控制律,使控制方法对电磁力模型不确定性具有鲁棒性,同时证明了系统状态可在有限时间内到达滑模面,而且也可在有限时间内收敛到零;最后,针对本文提出的方法进行了数值仿真。结果表明:当星间距离大于线圈半径的6.76倍时,远场偶极子模型的估计误差小于10%。基于终端滑模的有限时间控制方法相比线性二次型最优控制具有更快的收敛性能。

基于电磁力的集群航天器构形维持自抗扰控制

针对基于电磁力的集群航天器构形控制强非线性和模型不确定性的问题,提出一种无需线性化或解耦便能够实现构形维持的自抗扰控制方法(ADRC)。首先建立远场电磁力/力矩模型和集群航天器相对运动动力学模型;在此基础上,通过设计由最速跟踪微分器(TD)、非线性扩张状态观测器(NLESO)及非线性反馈控制律(NLSEF)组成的自抗扰控制器,实现集群航天器期望相对运动位置、速度的实时估计,同时能够对模型不确定性和外部干扰进行估计和补偿。仿真结果表明,本文设计的控制器能够实现基于电磁力的集群航天器构形维持高精度控制,满足集群航天器构形维持控制的控制要求,其快速性和抗扰性都明显优于有限时间控制(FTC)。

基于电磁力的集群航天器磁矩最优分配

针对期望控制力到各航天器各轴线圈电流的磁矩分配问题,提出了一种基于电磁力的集群航天器磁矩最优分配方法,将磁矩分配问题转化为一个有约束的非线性优化问题,采用模拟退火算法实现两航天器各轴线圈中电流的最优分配,使包括地磁场干扰力矩和航天器之间干扰力矩的总干扰力矩最小。仿真分析验证了该方法能够通过电流的最优分配,实现磁矩最优分配,进而实现电磁力最优分配,耗能均衡,且能够更加快速得到电流的最优分配。

集群航天器相对状态保持多约束鲁棒控制研究

针对集群航天器近距离观测过程中的相对状态保持问题,综合利用人工势场法和滑模变结构控制理论,给出了一种多约束条件下的六自由度鲁棒控制律。首先,利用拉格朗日方法和修正罗德里格斯参数,建立了六自由度相对运动动力学模型,分析近距离观测的任务约束,提出了相应的相对状态保持需求;然后,基于Lyapunov稳定性理论,利用人工势场法设计了相对轨道保持的鲁棒控制律,利用滑模变结构控制设计了相对姿态保持控制律;最后,仿真算例验证了模型和算法的有效性。

空间控制技术发展与展望

控制是航天器在空间环境下自主完成复杂任务的关键技术。首先梳理了中国空间控制技术过去50多年来的发展成果,总结划分为航天器姿态控制、姿态轨道控制、“感知-决策-执行”(Perception-decision-action,PDA)自主控制三个方面,并在综述了各方面主要进展的基础上,围绕超大结构航天器姿态轨道控制、轨道空间博弈控制、网络化航天器集群控制、地外探测智能无人系统控制、跨域航天器自主控制、在轨建造与维护(On-orbit servicing,assembly,and manufacturing,OSAM)控制6个技术方向,提出面临的挑战和需要重点关注的基础性问题,为空间控制技术未来的发展提供借鉴和参考。