基于交会模式的月球大椭圆轨道编队飞行控制

两颗微卫星进入环月大椭圆轨道后,在地面测控支持下,通过执行若干次轨道机动,最终实现从相距上千或上万km至相距1~10km范围变化的环月轨道编队飞行。针对月球大椭圆轨道,基于多脉冲交会控制模式,设计了交会点满足编队飞行状态的轨道控制策略,采用线性制导方法迭代计算精确轨道控制参数;设计了顺序优化的5脉冲控制策略,对轨道平面、拱线、形状和相位等轨道全要素进行控制,通过远距离接近、中距离调整和近距离捕获的渐进式分段控制,在月球大椭圆轨道差异较大条件下,相对运动轨迹渐进稳定,最终实现近距离编队。

CE-4中继卫星使命轨道维持与动量轮卸载联合控制方法

针对嫦娥四号中继卫星动量轮频繁喷气卸载对其使命轨道Halo轨道的扰动问题,定性分析了卫星角动量累积规律和动量轮卸载对使命轨道构型的影响,给出了动量轮卸载前后角动量变化量与喷气卸载等效速度增量的关系,在角动量卸载预测的基础上,提出了一种使命轨道维持与动量轮卸载联合控制方法,通过偏置维持控制目标抵消控后动量轮卸载影响,达到延长轨道维持控制周期和节省推进剂的目的,给出了控制目标偏置量的求解方法。工程应用结果验证了方法的有效性。

面向探月卫星景象导航的局部基准图制备

为了可靠制备月球卫星景象辅助导航和着陆过程中的月面局部基准图,分析了月面局部基准图制备过程中出现的相关问题和解决方法。结合"嫦娥二号"月球卫星测控和导航实际约束条件分析了各种误差的起因及限制方法,给出了基于美国月球勘测轨道飞行器相机(LROC)全月面基准影像图的月面局部基准图制备算法。实验结果表明,按照所提方法生成的局部基准图与"嫦娥二号"局部正摄投影图像面特征一致,由映射变换产生的图像坐标最大定位误差为7.065 1m,观测图尺寸为20km×20km时的最大形变偏差为6.18m,正摄投影图像面特征和定位偏差均能够满足月球卫星景象导航定位精度的要求。

一种基于共享控制的双臂协同遥操作控制方法

针对双臂空间机器人精细操作任务,提出一种双臂协同遥操作共享控制方法。该方法将传统的遥操作四通道控制结构与共享控制相结合,通过在主从端控制器中加入优势因子,实现操作者与机器人左右操作手力和位置信息的双闭环反馈回路,并通过调节优势因子使主端的操作者对从端机械臂具有不同的控制权重,且主端操作者在协同操作时可以感受到对方的操作意图。通过CHAI 3D搭建的实验平台设计典型空间操作实验,并与单个操作者单独进行双手操作和双操作者分别操作单机械臂的情况对比。实验结果表明,本算法操作精度和效率较高,操作中的碰撞次数较少。

基于分形与形状模型的月面局部区域地形生成

构建了一种分形布朗运动模型和参数化形状模型相结合的月面局部区域地形生成算法。将月面地形生成过程分解为基本地形生成和撞击地形生成两个子过程,在整体范围内基于Haar小波构建原理和分形布朗运动模型理论实现月面基本地形的生成,在局部范围内通过对石块和撞击坑等典型障碍物的形状建模实现了撞击地形的生成。仿真实验表明,算法所生成的撞击地形中撞击坑等障碍物的形状和分布特点与月面实拍图相符,同时二维基本地形的计算复杂度较中点移位法及随机分形函数法计算复杂度更小。生成的月面局部区域地形能够反映丘陵、平原和碰撞痕迹等多种月面特征,地形生成结果可以作为进一步月面任务规划技术研究的仿真数据基础。

基于贝叶斯网络模型的导弹防御效能评估研究

效能评估涉及到评估指标的确定、评估方法的运用等诸多问题,现有的效能评估方法存在效率低下、难以解决复杂问题等诸多限制。本文在作战仿真试验的基础上,基于贝叶斯网络分析理论,进行了弹道导弹防御系统的效能评估研究。通过建立并学习贝叶斯网络评估模型,对不同方案进行了优选分析,分析了效能指标与多种因素之间的关系,计算得出响应时间、机动突防、拦截次数等对拦截结果影响较大,其余则影响较小。

“嫦娥4号”中继星任务轨道确定问题初探

"嫦娥4号"任务将采用着陆器、巡视器和绕飞地月拉格朗日L2点中继星进行月球背面的探测,中继星已先期发射,进入环绕地月L2点的晕(Halo)轨道。在中继星使命轨道动力学模型的基础上,通过相关仿真工作,开展了中继星在Halo轨道上的摄动源量级及影响定轨预报的主要因素分析,结果表明:太阳光压摄动是其主要影响因素。为降低其相关影响,提高定轨精度,在太阳光压球模型的基础上,结合中继星在轨运行特点及其星体结构特点,提出了一种求解光压等效面积的方法。经仿真分析,使用修正后的太阳光压球模型进行定轨求解,速度精度可提升约一个量级。

“天问一号”近火飞越应急轨控策略设计方法

针对探测器近火未制动飞越火星的应急工况,设计了相应的轨控策略。通过分析探测器近火飞越时的火星引力助推加速效果,以及飞越火星后轨道长期演化情况,提出了从轨控能量和等待时间两个维度开展策略设计的思路,设计了能量优化、时间优化、能量时间代价折中等分支下的多种策略,通过理论分析和仿真验证,量化比较了各策略的优缺点,得出能量优化和时间优化可以作为首选方案的结论。所设计的应急策略保障了首次火星探测任务近火捕获在可控情况下稳妥实施,相关的研究方法和结论能够为飞控决策和应急控制提供技术支持及量化参考,并可扩展至相似背景的其他行星探测任务中。

基于地月合影图像的“嫦娥5T”指向校正算法

以"嫦娥5T"地月合影图像作为基本数据,提出一种基于信息融合的相机指向校正方法。首先利用形态分析从合影图像中提取天体的形心坐标,然后构建目标函数,通过优化算法估计相机的安装误差矩阵。该方法的典型优势是只需要利用单个相机对天体所成的单幅图像,便可快速确定相机指向。仿真数据和实测数据得到相机指向误差估计值的偏差保持在1%度量级,证明了算法的有效性。算法可以为实际工程任务和应用提供参考。

利用姿态机动的绳系卫星编队系统轨道协同控制

为克服绳系卫星编队系统在轨道机动过程中的系绳摆动现象,提出一种通过调整领航星推力方向进而实现编队系统轨道跟踪的控制算法。由于推力方向角与状态量互相耦合且少于系统自由度个数,轨道协同控制属于典型的非仿射欠驱动控制问题。针对此问题,首先采用升阶法将角速度作为虚拟控制输入;然后为各子系统设计子滑模面后加权得到高层滑模面和等效控制输入律,并设计观测器估计系统非线性项;其次基于模型预测控制算法优化得到最高层滑模面的趋近控制律;最后采用MATLAB/Simulink验证了所提控制算法的有效性。

嫦娥四号中继星角动量管理策略设计及应用

嫦娥四号中继星在Halo轨道运行期间角动量卸载会对轨道构型产生扰动。本文研究了嫦娥四号中继星动量轮主动调姿卸载对使命轨道构型保持的作用,设计了中继星角动量管理策略。通过对角动量变化率建模,结合短期遥测数据,提出了一种基于微分修正的角动量变化预估方法。给出了中继星调姿卸载计算方法以及姿态机动过程中是否发生卸载的验证方法。针对嫦娥四号着陆器、巡视器处于月球日不同情况,给出了中继星姿态调整和调姿卸载策略。工程应用表明中继星角动量变化预估方法误差较小,根据角动量管理策略调姿卸载可以降低轨道维持频率,策略有效,具有工程可行性。

基于机械臂耦合力矩评估的组合航天器姿态协调控制

针对在轨服务任务中服务航天器和目标航天器对接后组合体的姿态稳定问题,提出一种基于机械臂耦合力矩评估的组合航天器姿态协调控制方法.首先,对空间机械臂和组合航天器进行了动力学建模与分析;其次,利用空间机械臂和组合体平台之间的强耦合特点,采用空间机械臂的运动来协调组合航天器平台的姿态运动,并给出了相应的协调规划方法;然后,考虑传统航天器燃料有限、反作用轮易饱和等因素,采用以空间机械臂为主、反作用轮为辅的方式对组合航天器进行姿态协调控制,并设计了基于机械臂耦合力矩评估的姿态协调控制器;最后利用仿真实验与传统航天器姿态控制方法进行了比较分析,结果表明:所提方法仅通过空间机械臂和反作用轮就能实现对组合航天器的姿态稳定控制,而不需要消耗昂贵的喷气燃料.

吸气式高超声速飞行器推进系统耦合建模与分析

吸气式高超声速飞行器机体/推进一体化设计,使得外形-气动-推进强耦合,给飞行器建模与控制带来巨大挑战。建立了一种基于准一维流动理论结合激波膨胀波方法的推进系统耦合分析模型,得到影响推进系统性能的因素,包括几何外形、迎角、马赫数、飞行高度、当量比等,以真实反映系统耦合特性。通过仿真计算分析了这些因素对推进系统性能的影响规律,可为飞行器初步设计阶段方案论证及一体化优化等问题提供基础和理论依据。

一种融合卡尔曼滤波的改进时空上下文跟踪算法

针对时空上下文跟踪算法对快速运动和遭受严重遮挡目标的跟踪精度下降问题,提出一种融合卡尔曼滤波的改进时空上下文跟踪算法。首先人工标记目标所在的矩形区域,然后利用改进的时空上下文算法对目标进行稳定跟踪,在跟踪过程中,基于连续两帧图像灰度的欧氏距离判定目标跟踪状态,当判定目标遭受严重遮挡时,利用卡尔曼滤波进行预测估计。算法对噪声有一定的容忍度,通过降低噪声对跟踪过程的影响,能够得到更优的目标区域。仿真实验结果表明:本文算法适用于不同光照强度下高速、高机动目标的稳定跟踪,并且对目标的尺度变化和短时严重遮挡具有鲁棒性。算法帧平均耗时为34.07ms;帧几何中心平均误差为5.43pixel,比时空上下文算法减少70.2%;目标轮廓面积平均误差为13.08%,比时空上下文算法减少52.7%。

基于引用Petri网的导弹攻防对抗仿真研究

导弹攻防对抗是一个攻防双方相交互的复杂动态系统,尤其对于交战级仿真,会涉及到更多的对象及其交互。Petri网是一种图形化的描述,具有并发、分布、不确定性等特征的复杂系统的有力工具,通过将传统Petri网理论同面向对象技术相结合,形成了面向对象Petri网。引用Petri网作为具有面向对象特征的Petri网的一种,具有更多优良的特性。应用引用网的基本理论,探讨了引用网在导弹对抗仿真中的应用,完成了一个攻防对抗算例的仿真研究。

月球微波测速测距衍生的空间低频引力波探测新方法

在空间低频引力波探测技术中,使用地面跟踪站对深空探测器的高精度微波多普勒测量方法已经有40多年的发展历史.在嫦娥-3着陆探测延寿拓展任务中,使用自主研发的行星无线电接收机实现了亚毫周精度的月球微波测距技术验证.进一步使用X波段地-月测距原始测量数据检验了扣除地球大气抖动、电离层扰动、地面设备热噪声、地-月间行星际等离子体效应的更高测量精度的微波差分测距测速方法,并提出了用于嫦娥-4任务四程与双程差分高精度测量的方案,作为先导技术验证.在此基础上,结合月球着陆器和地-月L4/L5平动点通信导航卫星之间的微波链路,提出了一种10^(-17)-10^(-19)感度的差分四程链路的低频引力波空间微波探测的新概念方法,有机会比目前的深空多普勒链路感度提高1-3个量级.

时延遥操作系统的非对称双通道波变量补偿法

为保证遥操作系统在时延条件下的稳定性,以及减少传统波变量方法的跟踪误差,提出一种非对称双通道波变量补偿法。该方法在前向通道波变量补偿法的基础上,采用能量整定器对反向通道的波变量进行补偿。通过调节波阻抗、滤波器和能量整定器的相关参数可以充分保证遥操作系统的稳定性和跟踪性能。实验结果表明该方法在保证时延遥操作系统稳定性的基础上,速度跟踪平均误差比传统波变量法减少70%以上,力跟踪平均误差比前向通道波变量补偿法减少60%以上。为了比较不同时延下本方法的效果,设计时延分别为3s和0.6s的2种实验。结果表明本方法在不同时延条件下均可以取得较好的效果。