空间飞行器智能自主控制技术现状与发展思考

提升空间飞行器的自主水平一直是航天领域的发展重点,新一代人工智能技术的巨大进步为其提供了新的机遇.本文对国内外空间飞行器智能自主控制技术的发展现状进行分析和总结,结合未来空间任务的发展需求,阐述空间飞行器智能自主控制的新特征,提出新的感知-决策-操控星上闭环结构,从智能自主角度剖析感知、决策、操控和健康管理的能力要素,并根据系统对地面的依赖程度和处理复杂任务的智能水平,提出空间智能自主控制的分级方法.针对发展空间智能自主控制技术所面临的挑战,从感知与认知、决策与规划、学习与操控、健康管理和系统体系架构五个方面给出发展建议.

空间操作控制技术研究现状及发展趋势

对空间操作控制技术的现状进行了总结,从典型飞行任务中分析给出控制系统所需具备的四个能力:自主运行、目标重构识别、精准敏捷、联合体规划控制;并从这四个方面对未来的技术发展进行了展望.

面向不确定环境的航天器智能自主控制技术

针对智能自主控制系统所涉及的自主感知技术、自主决策技术和控制执行技术的研究现状进行了分析和总结,剖析了目前航天器控制系统在应对不确定环境时面临的困境。结合未来空间任务对航天器能力的需求,提出了一种新型“感知-演化-决策-执行”(OEDA)星上闭环控制框架,探讨了其特点和功能,进一步阐述了OEDA控制框架中所涉及的理论与方法,最后分析了该控制框架实际应用和进一步发展需解决的关键科学问题。

航天器威胁规避智能自主控制技术研究综述

当前,轨道空间日益拥挤、太空竞争不断加剧,对航天器执行既定任务时的轨道威胁自主应对能力提出了新的挑战,使得航天器智能自主控制技术迎来新的发展机遇.在调研分析了轨道威胁感知、自主决策规划、规避机动动作执行、自主控制系统架构相关研究进展的基础上,总结提出了威胁规避智能自主控制面临的主要瓶颈问题,并分析指出发展“感知-决策-执行”一体化控制是破解瓶颈难题的有效手段,最后从一体化控制系统建模、设计、分析与验证多方面,系统讨论了威胁规避智能自主控制需要重点关注的若干基础问题,为未来航天器智能自主控制的理论研究和技术发展提供启发和参考.

高分七号卫星高精度控制技术与验证

高分七号卫星(GF-7)控制系统,一方面通过研制甚高精度星敏感器和高平稳度翼板驱动机构(SADA),提高部件性能指标;另一方面采用在轨参数标定、星地闭环补偿等控制技术,进一步提高系统性能。经飞行验证表明,控制系统实现了角秒级姿态测量精度,稳定度达到10^(-5)(°)/s量级,与同类型测绘卫星控制系统比较,姿态测量精度和稳定度均达到中国领先、国际先进的水平,使中国遥感测绘卫星控制能力得到了大幅提升。最后展望了GF-7卫星控制分系统进一步提高控制精度的发展方向。

空间机器人加注机构碰撞力建模与柔顺控制

为削弱在轨加注过程中主被动端碰撞冲击对空间机器人的影响,提出了基于力/位混合的柔顺控制律。首先通过第二类拉格朗日方程建立了漂浮基座空间机器人一般运动学模型和考虑环境接触的动力学模型。其次,设计了"杆-锥式"加注主被动端装置,根据主被动端的接触特点,建立了点面接触的碰撞动力学模型,并给出相应的碰撞力计算方法。接着,将加注对接问题转化为以基座为参考系的末端运动控制问题,得到了机械臂关节期望运动规律,进而设计了位置环控制律;根据加注主被动端的位置关系计算得到碰撞力,进而设计了力/力矩环控制律,结合顺应选择矩阵最终得到力/位混合控制器,以减小杆锥对接时碰撞对空间机器人基座及末端的冲击影响。最后,仿真结果表明,对接方向的位置误差由初始值降至零,对接过程碰撞产生的力不超过10N,满足末端工具冲击承载。各关节角度变化平缓,关节力矩不超过13Nm,满足机械臂关节力矩最小承载,所设计的控制器使得加注主被动端完成柔顺对接。

重力梯度测量卫星无拖曳控制技术

无拖曳控制是当前和未来若干空间任务中的一项关键技术.以重力梯度测量卫星为对象,对无拖曳控制回路进行深入剖析,包括对静电引力梯度仪、离子推力器和空间环境的模型与建模方法及无拖曳控制律设计方法的综述.借鉴GOCE卫星(gravity field and steady-state ocean circulation explorer)的成功经验并结合国内离子推力器和静电悬浮加速度计的研制现状,对未来发展我国重力梯度测量卫星无拖曳控制进行难点分析与展望.

空间站组合体惯性系内角动量管理控制

针对惯性系内重力梯度力矩与气动力矩的常值部分积累引起控制力矩陀螺饱和的问题,在惯性系内建立空间站的动力学模型并进行线性化,利用滤波变量将系统状态方程扩维,采用LQR方法设计系统反馈控制增益矩阵,实现空间站在惯性系内的角动量管理控制.惯性系内重力梯度力矩、气动力矩由轨道角速度整数倍的频率成份构成,可以根据实际情况增加抑制不同频率成份的滤波变量,用于抑制不同频率成份干扰力矩对空间站姿态或控制力矩陀螺角动量的干扰,从而使空间站长期在惯性系内飞行而不需要进行角动量的卸载.仿真验证了控制器的性能.

我国载人航天工程交会对接控制技术发展

空间交会对接技术是载人航天的一项核心关键技术,中国载人航天工程推动了我国空间交会对接技术长足发展,在载人航天30年发展历程中,我国空间交会对接技术实现了从无到有、从自动/人控到自主、从长周期到快速、从单一模式到多模式的重大技术跨越。文章论述了在我国载人航天三步走战略实施过程中交会对接控制技术的发展历程,分析后续任务的发展需求,给出了未来交会对接控制技术发展建议。

航天器相对导航与控制技术的典型任务

在空间交会对接、在轨服务、近距离目标监视以及航天器编队飞行任务中,通常需要通过相对导航与控制技术对相互邻近的航天器进行控制.回顾了该领域典型的空间任务,特别关注任务、相对导航与控制方法、相对测量设备、推进系统等主要特征,并总结了该项技术的发展趋势.

空间机器人协调控制全物理仿真设计与验证

机械手在空间运动时,对卫星本体会产生干扰,卫星本体采用协调控制方法,减少机械手运动对本体的影响.设计基于气浮台的全物理仿真试验系统,通过气足漂浮支撑机械手和三自由度气浮台,来模拟卫星在空间微重力环境下一个平面内的协调控制运动,采用星上部件、控制器和控制软件,对协调控制进行了验证.

非合作目标追踪与相对状态保持控制技术研究

基于考虑J2摄动影响的改进Hill方程数学描述,将最优机动问题转化为标准线性规划问题,为在轨服务系统对非合作目标的接近过程进行路径规划,针对卫星跟踪以及悬停的特殊相对运动状态设计控制方法,实现近距离相对轨道的精确控制.最后通过数学仿真验证方案的正确性和有效性.

基于视线制导的空间交会停靠控制方法

空间交会停靠段的控制经常采用的一种方法是基于视线位置信息的平行接近法.对纵向控制中的非线性滑动模态控制方法进行了研究和改进,考虑了视线角对纵向控制的耦合作用,增加了耦合项,并进行了存在性和稳定性分析.对于横向和纵向同时协调控制,提出一种多变量互相耦合的非线性滑动模态视线制导控制方法,并对同时协调控制进行了存在性和稳定性分析.

基于视线制导的空间自主交会故障诊断与容错控制集成设计

为提高空间自主交会最终逼近段航天器的安全性,提出了一种椭圆轨道自主交会问题的故障诊断与容错控制集成设计方法。对于视线制导坐标系下的空间自主交会追踪航天器推力器故障,首先基于鲁棒H_(∞)理论设计了非线性容错控制器,并基于Lyapunov稳定性理论设计了一种自适应故障观测器,最后使用Matlab的LMI工具箱完成该观测器求解。仿真结果表明:该法简单、有效,有较高的理论和工程应用价值。

空间服务机器人自适应递归控制

太空垃圾是对所有的空间航天器的重大威胁,空间在轨服务技术是解决这个问题的一种潜在方法。空间机器人的控制方法是在轨服务的一项关键技术。研究了一种工作在自由飞行模式下的空间机器人的控制技术,该空间机器人装有多个机械臂。假设空间机器人的精确动力学模型参数未知,为解决这个问题,提出了一种自适应空间机器人控制器,并分析了采用此控制器时系统的收敛性。为提高计算效率,进一步给出了控制器的递归形式。最后给出了一个仿真算例,证明了控制器的正确性和有效性。

柔性关节自由漂浮空间机械臂递推自适应控制

针对柔性关节自由漂浮空间机械臂,在存在动力学参数不确定性的情况下,通过增加相对阻尼项,提出基于无源性的柔性关节自由漂浮空间机械臂的关节空间自适应控制器,然后得到其递推实现.递推自适应算法由两部分组成:一部分实现所需的机械臂控制力矩的递推,另一部分实现航天器参考速度和参考加速度的递推更新.针对六自由度柔性关节自由漂浮空间机械臂进行了仿真,验证了所设计的递推自适应控制算法的性能.

一种适应卫星姿态侧摆机动的混合轮系控制方法

针对高稳定度轮控大型卫星因动量轮力矩小而难以满足侧摆成像任务需求问题,开展了混合轮系配置方案及控制方法研究。首先,提出常规轮系配置卫星滚动轴方向串联大力矩飞轮的混合配置方案,并设计飞轮开环前馈与常规动量轮闭环反馈相结合的控制策略;其次,设计以容许角动量最大量为权重的飞轮组前馈力矩分配律和具有角动量反馈的飞轮力矩跟踪控制方法,实现飞轮力矩合理分配及其模型不确定性导致输出力矩偏差抑制;然后,设计估计器对星体内外扰动力矩进行估计与补偿,以确保卫星高稳定度性能实现;最后,给出在轨应用情况,验证所提出方案及方法的有效性。在轨应用表明,采用该控制方法,有效缩短了整星侧摆稳定时间达100 s以上,且非机动期间姿态稳定度优于3.75×10-5(°)/s。

基于空间目标异步观测的惯导误差快速确定

针对惯性/天文组合导航系统中大的初始状态误差影响惯导误差收敛速度的问题,在星相机观测具有先验位置信息的有限空间目标的辅助下,提出一种基于目标-恒星角距异步测量的惯导误差在线快速确定方法。首先,在星相机光轴旋转角度和视场角大小受限的情况下,设计了通过异步照相观测方式获取有效空间目标参考信息的方案;其次,在利用惯导误差状态传播模型实现异步测量信息同步处理的基础上,构建基于空间目标与恒星之间角距的非线性最小二乘优化模型,避免了星相机的光轴扰动和安装误差对测量精度的影响;最后,基于高斯牛顿法设计了两轮迭代优化估计惯导位置误差和速度误差的方法。蒙特卡洛仿真结果表明,所提方法利用对空间目标和恒星的有限观测信息,可以有效估计惯导位置误差和速度误差,在初始位置误差约十千米量级的情况下,可以估计补偿约97.73%的位置误差以及66.25%的速度误差,优化求解误差参数的计算耗时为0.0160 s。

基于观测器的超静卫星平台关节-任务空间鲁棒控制方法

超静卫星包括星体、载荷和六自由度并联的主动指向超静平台.提出了一种基于干扰观测器设计的主动指向超静平台鲁棒控制方法,利用关节-任务空间控制实现无载荷姿态敏感器场景下的高精度指向.首先,设计关节-任务空间控制策略,控制器既采用了利于实现的关节空间控制器,又包含了任务空间的模型补偿,同时避免了正解运算.然后,针对非线性耦合和建模不确定性等问题,设计干扰观测器对星体与载荷之间的相对偏差干扰进行估计.在此基础上,基于李雅普诺夫方法设计了鲁棒控制器,保证了在干扰不确定性条件下的稳定性.最终,通过对比仿真分析,验证了提出方法的有效性.

空间机器人抓捕碰撞分析与轨迹规划镇定控制

针对空间机器人抓捕目标过程中产生的碰撞冲击问题,分析了抓捕瞬态碰撞对机器人系统产生的影响,提出了一种控制力矩能量消耗少、对卫星平台基座扰动小的镇定控制方法,实现了对抓捕目标后组合体系统的镇定控制。首先,利用Kane方法建立了抓捕后的目标-机械臂-卫星平台组合体动力学模型;其次,利用ADAMS软件分析了瞬态碰撞冲击对空间机器人系统的影响,为后续镇定控制策略的设计提供初始仿真参数;采用四次多项式实现了机械臂关节空间轨迹的参数化,设定了基于控制力矩能量与基座扰动的加权目标函数,利用差分进化算法(DE)求解得到满足控制力矩能量消耗小、平台基座扰动少的机械臂关节空间轨迹。最后,利用七自由度空间机器人的数值仿真,验证了所提出方法的有效性。