Distributed attitude consensus of spacecraft formation flying

The consensus problem of the distributed attitude synchronization in the spacecraft formation flying is considered.Firstly,the attitude dynamics of a rigid body spacecraft is described by modified Rodriguez parameters（MRPs）.Then global stable distributed cooperative attitude control laws are proposed for different cases.In the first case,the control law guarantees the state consensus during the attitude synchronization.In the second case,the control law ensures both the attitudes synchronizing to a desired constant attitude and the angular velocities converging at zero.In the third case,an attitude consensus control law with bounded control input is proposed.Finally,the effectiveness and validity of the control laws are demonstrated by simulations of six rigid bodies formation flying.

航天器多端口电源控制器拓扑推演和优化方法综述

电源控制器需要完成输入、储能和输出端口功率之间的控制,随着更多不同类型能源接口的加入,具有高功率密度、高效率和其他高性能的多端口变换器成为电源控制器的理想解决方案,其拓扑是实现航天器供配电功能的重要基础。文章针对航天器多端口电源控制器拓扑结构电路应用和任务专项需求,对多种拓扑推演方法和拓扑主要性能优化措施进行详细的调研和总结;在此基础上提出拓扑结构设计重点发展方向,例如归一化的拓扑推演流程、完善的电路拓扑性能优化方法和基于总体角度的电源控制器设计思路。上述研究结果可为更远距离空间探测、更大规模航天器供配电系统建造和航天任务中新型能源管理设计提供参考。

GPS在多航天器相对导航和姿态确定中的应用

研究了 GPS在一类没有结构和力约束 ,但存在运动约束的多航天器系统中的应用。首先分析了GPS在该系统中应用的模式和方案 ,重点研究了相对 GPS(RGPS)导航和 GPS姿态确定的方法和算法。然后提出了 GPS在该系统中应用的总体结构和功能结构。最后对 GPS在该系统中应用的选星、滤波器设计、误差消除等问题进行了讨论。研究结果有助于 GPS在多航天器系统中应用的标准化。

储液罐动力学与控制研究进展

阐述了储液罐动力学与控制的工程应用背景,从3个方面回顾了储液罐动力学与控制的研究进展,即:储液罐类液体晃动动力学、液体晃动等效力学模型和储液罐多体系统动力学与控制.其中对储液罐类液体晃动动力学的研究成果从解析方法和数值方法两方面进行了概述;在储液罐多体系统动力学中概述了车载、船载储液罐系统动力学和充液航天器固-液-控耦合动力学近年米的研究成果.对今后需要进一步开展的研究方向进行了展望.

基于多智能体系统的多航天器编队分布式姿态协同控制

多航天器编队飞行在深空探测及协同对地观测等领域有着重要应用,而多航天器的姿态跟踪及协同控制技术作为其关键技术之一也引起了极大的关注。近年来,随着分布式人工智能技术的发展,多智能体系统(MASs)受到了航天器控制领域学者的关注并将其应用到多航天器编队控制中。本文回顾了多智能体系统协同控制及其在多航天器编队姿态协同控制中应用的研究进展。首先,从多航天器编队不同控制需求出发,分别从一致性跟踪控制、有限时间控制、事件驱动控制方面,回顾了多智能体系统协同控制问题的进展;其次,回顾了多航天器姿态协同控制在上述需求方面的研究进展,并基于多智能体系统的协同控制理论,提出了相应的分布式姿态协同控制策略。

基于数字孪生和多智能体的航天器智能试验

为推动航天器以物理试验为主导的模式向以物理试验与虚拟试验深度融合的模式转型,针对航天器试验过程中存在的周期长、成本高与其他制造环节海量数据共享困难等问题,提出基于数字孪生和多智能体的智能试验体系架构设计方法。该方法首先建立包含物理空间、数字空间和数学空间的智能试验任务分析范式,基于数字孪生和多智能体的智能试验体系功能建模框架;然后针对智能试验全要素、全过程、全业务的应用背景,设计试验资源、试验过程和试验服务3类智能体的结构模型,并对试验运行机制和技术流程进行优化。以某航天器系统级正样热试验为例搭建了智能试验管控平台,对该方法的可行性和有效性进行验证。结果表明,智能试验管控平台的应用,使得产品试验设计与实施总周期缩短20%、产品试验与工装设计精度提高15%。

基于控制杆的太阳帆姿态控制研究

针对由控制杆、反作用飞轮、有效载荷和太阳帆所组成的太阳帆航天器多体系统,从物理模型出发,利用拉格朗日方程建立了多体航天器的姿态动力学模型。对该类太阳帆航天器的系统能控性和稳定性进行分析,并通过数值仿真对太阳帆航天器三轴姿态控制的响应特性和行星际轨道转移过程中姿态控制效果进行研究。研究结果表明,在行星际飞行中利用顶部带有载荷的控制杆和反作用飞轮来对太阳帆航天器进行三轴姿态控制的方法是可行的。

变结构空间飞行器发射过程的姿态研究

针对某类空间飞行器在发射过程中产生结构变化的问题,基于多体系统动力学方法建立了变结构空间飞行器动态发射研究模型,进行了理想发射情况下的数值研究,并与地面试验进行了对比分析.分析结果表明,该模型可以准确地描述飞行器的发射运动.引入推力偏心、扭矩偏转和重力梯度3种干扰因素对飞行器发射过程的姿态进行了数值研究.研究结果表明:推力偏心角越大,飞行器相应的姿态角变化越大;扭矩偏转对飞行器的俯仰角和偏航角都有影响,并且扭矩偏转角越大,姿态角变化越大;在小发射角下重力梯度对飞行器的姿态影响不明显.

具有刚-柔-液-控耦合的航天器动力学研究进展

从现代复杂航天器姿态非线性动力学、液体燃料晃动动力学与控制问题、航天器刚–柔耦合系统动力学建模问题、航天器刚–液耦合动力学、航天器刚–柔–液–控耦合动力学、充液航天器实验问题等方面概述了近年来国内外在充液航天器多体耦合动力学相关领域的最新研究进展.分别从液体燃料晃动动力学建模问题、航天器刚–柔–液–控耦合系统非线性理论和方法、计算机数值仿真及物理实验问题等方面展望了有待进一步加强的研究课题.

带有超大型挠性网状天线航天器姿控系统的参数化多目标设计

本文研究了带有超大型挠性附件的卫星的姿态控制问题.关于挠性航天器振动抑制与姿态控制,绝大多数已有的控制方法都是针对某一单一指标提出的.然而工程上要同时兼顾精度、快速性、平稳性、挠性部件的振动抑制以及各种鲁棒性,因此挠性航天器的姿态控制系统设计实际上是一个典型的多目标设计问题.本文针对具有超大挠性网状天线卫星的俯仰通道姿态系统,提出了一种基于输出反馈的鲁棒极点配置的参数化多目标设计方法.首先给出了系统能控与能观的充分必要条件,然后给出了动态补偿器以及特征向量矩阵的参数化表达,并在此基础上进一步对自由参向量进行了多目标优化,使得控制系统具有: 1)配置到期望区域的极点;2)较低的特征值灵敏度;3)较强的高阶未建模动态抑制能力;4)尽可能小的控制增益.最后,本文根据卫星工程参数进行了控制器设计与仿真验证,仿真结果表明本文提出的方法可以在动态响应、高阶未建模动态抑制能力、控制量峰值等方面优于传统的PID控制器.

航天器分布式系统仿真验证平台设计与实现

文章分析了航天器分布式系统仿真平台的特点和需求,根据分布式集成仿真平台多操作系统、混合架构、分布式结构、模型管理、试验设计、仿真运行、数据管理的技术特点和功能需求,对相应关键技术进行了攻关,制定了实施方案,在此基础上完成了相关设计和实现。平台能够适应全数学与半物理2种仿真工况,满足航天器系统方案设计全面仿真验证需求,并可方便接入商业或自研软件。最后通过仿真实例对平台的功能性能及通用性进行了验证。

一种柔性多体动力学建模方法及其工程应用

针对具有多轴天线驱动、机械臂运动、空间站舱段转位等多体运动特征的航天器,提出了一种基于浮动基座和树形拓扑结构的柔性多体动力学建模方法,用于计算机建模和与控制系统联合仿真.基于拉格朗日方程和有限元方法所建立的动力学方程考虑了大角度刚体相对转动、弹性部件振动、柔性关节变形特性.将此建模方法程序化并应用于工程实际,可解决此类航天器复杂的机构运动与弹性振动的耦合动力学建模问题,实现完全自主的动力学建模、模型代码输出和控制联合仿真功能,为此类航天器的动力学特性分析及其控制系统设计与系统级仿真验证服务.结合带多轴驱动天线和大型柔性天线的整星对象,采用该方法建模并就系统频率、频率响应、时间响应与商业柔性多体软件Adams进行对比,结果显示二者一致性良好,验证了该建模方法及其软件实现的正确性和通用性.

基于多柔体动力学的飞行器多目标优化设计

研究了柔性航天器总体设计中基于结构与姿态控制的多目标优化问题。利用拉格朗日方程建立了刚柔耦合系统动力学模型,提出以附件质量和微分矩阵最大实特征值为目标函数的多目标优化问题;采用非支配排序进化求解算法(NSGA-II),对某柔性航天器进行了多目标优化分析设计;最优决策为具有一定规律性的空间曲线,该优化结果对柔性卫星的总体分析设计具有一定的指导意义。

多自由度多圆柱体舱内物体的三维布局优化

讨论了多自由度多圆柱体舱内待布物的三维约束布局优化问题，待布物为圆柱体和长方体群，给出了该问题的数学优化模型、求解过程和算法及编制相应软件。文后给出了算例，结果令人满意，本问题的实际工程背景为航天器、旋转建筑、旋转掘进动力头、组合机床多轴箱、海下悬浮工程等。

多航天器协同飞行动力学分解建模与控制

研究了一种基于动力学分解的多航天器协同飞行动力学建模与控制方法.设计了分解算法,将涉及复杂运动的多航天器协同飞行动力学分解为分别反映多航天器整体协同飞行的整体系统动力学和反映多个航天器之间相对运动的队形系统动力学,且这两个子系统的动力学模型与单个航天器的动力学模型具有类似的形式;分别控制这两个子系统即可实现多航天器的队形保持、重构以及整体的大范围转移.设计了整体系统和队形系统的跟踪控制律,并利用李亚普诺夫稳定理论证明了其稳定性.仿真检验了分解算法和控制方法的有效性和合理性.

大型垂直模态试验系统研制与应用

航天器的大型化对地面验证手段的要求越来越高。为了辨识大型航天器的特性参数(频率、阻尼、振型等)、验证和修正数学模型(有限元模型)、校核动态分析结果的有效性,检查结构中的薄弱环节及部位,开展了大型模态试验系统的研制,研究设计了卫星、飞船领域的大型模态试验系统,攻克了模态试验系统多维度激振、全尺寸包络、试验件安全多重防护等关键技术,实现了三维激振、激光非接触防护的模态试验系统。

多Agent自主系统结构及其在分离模块航天器中的应用

针对分离模块航天器对于灵活构建和组织多个卫星协同工作,实现自主运行的需求,提出基于"Agent容器程序"管理的多Agent自主运行系统结构。以多个规划Agent的组织为基础,综合使用多种类型的通用及专用Agent,实现了自主运行系统的适用性、灵活性和健壮性,为多卫星协同工作的仿真和实际应用提供可行的方法。

基于多信号模型的航天器供电系统测试性建模与分析

在产品设计阶段进行测试性设计可提高产品的固有测试性,基于多信号流图的测试性设计方法是复杂系统测试性设计的重要手段。使用该方法,以一型号载人航天器供电系统为研究对象,对其进行建模、分析和优化。仿真结果表明:该方法可以提高供电系统的故障检测率和隔离率,减小模糊组大小,优化后供电系统的测试性设计品质参数得到了提高。

一种基于多层1553B总线及CCSDS的载人航天器空间数据系统设计

针对未来载人航天器种类、规模及功能多样化的特点,尤其是多航天器构建的复杂大型载人航天器,对现有载人航天器空间数据系统的通用性、可扩展性、兼容性进行分析,提出了1种基于多层1553B总线的多构型、高可靠、可重构、大负载的空间数据系统器载网络架构和1种基于CCSDS的载人航天器空间数据系统协议体系架构。器载网络和协议体系架构可支持载人航天器天地间、器间及器载业务和协议的标准化设计,促进设备及软件的模块化和通用化,增强载人航天器的兼容性及可扩展性,便于支持未来可能的国际合作。

纳米孔材料中辐射热传递的改进——扩散近似法计算

用可燃的烧蚀材料作为主动的承热层,用不可燃的多孔材料作为被动的隔热层,是当今一次性使用航天器最普通的一种热防护形式,然而对可重复使用的航天器来说,这种防热结构显然不适用。但是如果把烧蚀层改为金属薄壁或多层金属热防护系统,在不增加很多质量的情况下,能保证航天器主结构在允许的温度范围,则可能是一种很好的设计。在此情况下,隔热层将经受更为严峻的考验。文章用改进的扩散近似法计算纳米孔材料中的辐射热,可与其他求解方法或试验结果进行比较,并为热防护设计者提供参考。