中国载人交会对接技术的设计与实现

中国在载人航天工程第二步第一阶段任务中,自主研制了天宫一号目标飞行器和神舟八号、神舟九号、神舟十号载人飞船,通过3次在轨飞行任务完成了8次交会、6次对接,覆盖了自动和手动等多种交会对接模式,突破并掌握了交会对接技术.从交会对接系统、交会轨道、交会测量和控制、信息传输、对接与分离、飞行方案,以及试验验证等方面对中国载人交会对接设计的技术特点、所采用的创新技术方法和解决的技术难题进行了介绍,在飞行验证的基础上分析了工程任务取得的成果,与国际水平进行了综合比较,对中国载人交会对接技术的设计和研制情况进行了总结.     

神舟飞船交会对接自动控制系统设计

2011年11月、2012年6月、2013年6月相继发射的神舟八号、神舟九号、神舟十号无人和载人飞船分别与天宫一号目标飞行器成功地进行了4次自动交会对接.本文首先简要介绍了神舟飞船交会对接自动控制系统的组成和飞行阶段划分,重点对自动交会对接制导、导航和控制的设计方案和算法进行了介绍,对决定交会对接任务成败的导航精度、制导精度和控制精度进行了分析,并给出了在轨飞行验证结果.     

天宫一号与载人飞船组合体能源管理设计与验证

天宫一号和载人飞船构成组合体期间,载人飞船处于停靠状态,由天宫一号负责组合体能源管理.基于供电安全性和传输功率的要求,组合体进行了近端采样反馈电压控制的并网供电架构设计.经过仿真、地面测试和在轨飞行试验验证,表明天宫一号与载人飞船组合体供电并网设计正确,为载人空间站工程各组合体间供电并网设计提供了有力保证.     

天宫一号目标飞行器载人环境设计与实施

基于天宫一号目标飞行器载人环境控制任务的新特点,以航天员的"舒适性"为设计目标,天宫一号进行了大气环境控制设计、噪声控制设计、辐射控制设计以及组合体热支持设计等载人环境设计,将组合体密封舱内的大气总压、温湿度、风速、气体成分、噪声以及辐射水平控制在人体舒适性范围内,天宫一号飞行任务表明,其载人环境系统设计正确,为飞行任务期间航天员的身体健康和工作效率提供有力保障.     

神舟七号飞船伴星飞行试验方案设计及试验验证

神舟七号载人航天飞行任务中,我国首次在轨释放了一颗伴随卫星,试验和验证伴星在轨释放和伴随飞行技术.伴星平台集成了三结砷化镓高效太阳电池、锂离子蓄电池,以及液氨推进系统等新技术,其有效载荷为双焦距一体化可见光相机,可实现对近距离空间飞行器的视频观测和照相.2008年9月25日,伴星随神舟七号飞船发射升空后,按预定计划在轨释放,获取了1680幅飞船图像;通过6次轨道机动控制,于10月5日形成了相对神舟七号飞船轨道舱的绕飞椭圆,并连续保持了25圈.本文简述伴星飞行试验任务目标和卫星设计方案,重点阐述伴随飞行方案设计及飞行试验验证结果.     

天宫一号整体壁板式密封舱结构技术

2011年9月,天宫一号目标飞行器发射升空,于2011年11月、2012年6月和2013年6月与3艘载人飞船完成3次交会对接,航天员两次进入实验舱生活和工作.实验舱是目前国内首个在轨工作2年以上的载人密封舱,该密封舱首次采用整体壁板式结构.本文分析了长寿命载人密封舱结构设计约束条件,通过不同结构形式的比较,提出了密封舱采用整体壁板结构,介绍了壁板结构设计准则和研究内容.该项设计技术的突破为我国未来大型长寿命载人航天器,尤其是载人空间站结构奠定了基础.     

载人飞船型谱发展研究

我国"神舟"飞船已成功执行了十次飞行任务,从"神舟十号"开始转入应用性飞行,标志着我国已建成了功能完备的近地轨道载人天地往返运输系统."神舟"载人飞船以三舱构型为基本型,通过逐步补充和完善功能,已形成了天地往返飞船、出舱活动飞船和交会对接飞船3种型谱,具备执行近地轨道空间站天地往返运输任务,也可根据需要开展出舱活动等近地轨道载人飞行的其他任务.未来载人航天发展必须向超越近地轨道,向更远的深空目标探索,因此有必要尽快研制更安全、更可靠、能适应近地和深空多任务的新一代载人飞船.     

天宫二号机械手关键技术及在轨试验

空间机械臂可以降低宇航员舱外活动风险,提高空间探索效率,具有广泛的应用前景.近年来随着机器人技术的发展,空间机械臂逐渐成为空间技术领域的热点研究方向.天宫二号空间实验室任务中的人机协同在轨维修科学试验是天宫二号三大关键试验任务之一,其核心是天宫二号机械臂系统.这是一套集成了多种传感器、具备多种控制模式的舱内空间机器人系统,包括6自由度机械臂、五指仿人灵巧手、手眼相机和全局相机、在轨人机接口(空间鼠标和数据手套)等模块,其设计目标是:在空间微重力环境下与航天员配合完成多种演示验证任务;对空间机器人关键技术以及在轨人机协同关键技术进行验证和评价;为空间机器人辅助或配合航天员开展在轨维修积累经验和数据.针对人机协同中的安全性问题,采用基于可变步长的轨迹规划方法,使机械臂在与周围环境发生接触时能够局部智能地调整其运动轨迹,达到减小或者消除碰撞力的目的;针对五指灵巧手的抓握控制问题,提出了基于目标物体笛卡尔刚度的协调抓握控制方法,以适应外力的变化达到稳定抓握的目的;针对数据手套与灵巧手之间的位姿映射问题,采用基于指尖位置的人手与五指灵巧手运动映射方法以达到精确位姿映射.天宫二号机械臂系统于2016年9月15日随天空二号空间实验室发射入轨.在10月27日到11月13日期间,宇航员与机械臂系统协同开展了动力学参数辨识、抓漂浮物体、与航天员握手、在轨维修等试验,成功完成了所有预定任务,为今后空间机器人的应用奠定了基础.     

嫦娥三号巡视器GNC及地面试验技术

嫦娥三号巡视器是我国首个实现地外天体表面巡视探测的航天器,其制导导航控制（GNC）技术与地球卫星和飞船等全然不同.嫦娥三号巡视器GNC系统突破了月面自主导航定姿定位和协调运动控制、基于双目立体视觉的自主环境感知、基于地形通过性量化分析的路径规划、基于主动结构光被动视觉的激光探测避障以及地面试验验证等关键技术.在轨飞行试验结果表明,GNC系统实现了既定任务目标,为未来火星等深空巡视探测任务奠定了技术基础.本文对巡视器GNC系统的任务要求、系统组成、功能实现方案及关键技术、工作模式、地面试验验证及在轨飞行情况等方面进行了系统介绍.     

嫦娥四号着陆器制导导航与控制系统

嫦娥四号着陆器实现了人类首次月球背面软着陆任务,着陆器的制导、导航与控制(GNC)系统是最重要的分系统之一.针对嫦娥四号着陆器月球背面软着陆的任务特点,本文提出了月球背面着陆轨迹设计、前后台并行容错导航、自主故障诊断和处理策略.实际在轨飞行结果表明,这些算法合理可行,着陆器成功着陆在预定着陆区,着陆姿态和速度优于需求,圆满完成了软着陆任务.本文介绍了嫦娥四号着陆器GNC系统的要求、组成、部分算法以及在轨飞行结果.     

神舟飞船交会对接人工控制系统设计

神舟九号飞船首次人工控制(以下简称"人控")交会对接的圆满完成,标志着我国全面掌握了空间交会对接人工控制和自动控制技术.交会对接人控系统为航天员提供稳定可靠的操作平台和驾驶飞船的操作方法,对人控交会对接任务的成败起着至关重要的作用.本文在分析交会对接人控系统设计原则的基础上,阐述了人控交会对接控制系统组成和各主要部件的工作原理,首次提出了通过电视摄像机图像进行相对状态确定的测量参数定义及其估计方法,并给出了人控交会对接的操作方法.神舟九号的在轨验证说明了交会对接人控系统操作简单、可靠,满足高精度的对接要求,该项技术具有良好应用前景.     

飞船空间对接机构技术

空间对接是载人航天工程的关键技术,本文讨论了我国神舟对接机构的系统方案,分析了对接捕获和缓冲的动力学设计、机构学设计,以及对接机构连接刚度的保证等方面问题,讨论了对接机构地面试验系统和试验方案,介绍了我国首次空间对接的情况.     

一种最优抗扰自适应控制

针对含未知干扰系统研究了具有最优抗扰性能的自适应控制问题.利用对象参数的先验知识和量测数据构成可实时更新的非空模型集合,以系统的整体性能指标为辨识准则,在模型集内优化选取最优标称模型,完成对象模型的在线最优辨识.然后根据-1优化设计方法以闭环系统整体性能为指标,在线设计最优闭环控制器.上述两方面结合起来给出了一种最优自适应控制策略.由于辨识准则与控制目标是一致的,文中的方法能够有效地解决自适应系统的性能优化问题和辨识与控制的相互配合等问题,且能给出可验算的性能指标.     

运用Lyapunov指数方法的车辆横向运动混沌分析及其滑模变结构控制

建立了考虑车辆横摆、侧向以及侧倾运动的3自由度非线性整车模型：运用Lyapunov指数方法对所建立的非线性整车模型进行了混沌的数值仿真分析．通过最大Lyapunov指数图和分岔图发现，车辆的横向运动非常复杂，包含了倍周期、拟周期以及混沌运动，对于车辆极限工况时的横向运动稳定性是不利的．利用滑模变结构控制（sliding mode variable structure control，SMVSC）方法，设计了SMVSC控制器，对车辆横向运动中的混沌进行了控制．为了减少SMVSC控制系统的抖振，进一步提高车辆在极限工况下行驶的横向运动稳定性，采用了幂次趋近律，利用模糊控制的方法实现了趋近律的自适应策略．最后将所设计的自适应趋近律的SMVSC系统在Matlab中进行了仿真，并将未加控制，SMVSC控制以及自适应趋近SMVSC控制三种仿真结果进行了对比分析，发现采用了自适应趋近的SMVSC控制对混沌的控制效果比其他的都要好，有效抑制了车辆横向运动中的混沌，显著提高了车辆在极限工况下行驶的横向稳定性，充分证明了该控制策略是有效的．