面向编队卫星的空间系绳在轨服务

针对编队卫星的在轨服务任务,提出一种基于绳系卫星系统的服务方案.该系统由质量较小的服务航天器和质量较大的燃料站通过系绳连接构成,以被服务编队卫星参考中心为原点建立坐标系与相对动力学模型.基于伪谱法研究了综合考虑系绳的状态与控制约束的绳系多星服务最优控制策略.以空间圆构型的编队卫星为例,分别分析了绳系卫星系统和单卫星平台...     

卫星编队构形多冲量调整优化研究

建立了卫星编队多冲量构形调整的优化模型,给出了期望构形约束的表达和处理方式。在约束处理方式和优化方法的不同组合下,对两个示例问题进行了多次优化求解和对比分析。结果表明:传统优化方法不能有效搜索复杂多冲量构形最优调整问题的最优解,而进化算法在期望构形约束满足精度上存在不足;先基于进化算法作全局搜索、再利用传统优化方法提高解的局部最优性是很好的方法,能够获得燃料最优性和约束满足精度都很高的解;对于期望构形约束的处理,传统优化适宜采用最终时刻状态偏差方式,而进化优化采用全周期最大状态偏差方式较好。     

混合式微小卫星编队飞行控制仿真系统设计

提出了一种混合式的微小卫星编队飞行控制仿真系统。该系统由三个节点组成,即两个模拟卫星和一个控制中心,节点之间通过星间网络进行数据交换。模拟卫星由星上计算机和各种星上敏感器和模拟执行器构成。星上计算机接收星上敏感器的物理输出,并经过星地转换模型对传感器数据进行修正。在一定的控制策略下,卫星控制模型进行计算产生控制输出,控制输出在控制界面上进行显示,并同时作用于传感器修正模块,实现系统的闭环控制。控制中心主要提供强大的计算功能,也可以单独构成一颗数字卫星。在这个控制仿真系统中,能够进行多种控制策略的仿真,包括双星主从控制、双星协同控制、三星主从控制、三星协同控制以及单星失效模式等。     

基于一致性算法的卫星编队姿轨耦合的协同控制

针对卫星编队一主多从结构的相对轨迹、姿态的协同控制问题,提出了一种基于Lyapunov方法的编队飞行协同控制策略。该控制策略将分布式控制思想引入卫星编队飞行的相对轨迹、姿态的动力学系统中,使各从星保持编队构型的同时沿期望轨迹相对主星绕飞。从理论上证明了系统的渐近稳定以及对外部干扰的抑制,并基于一致性算法理论定量地分析了通信拓扑结构为有向图情况下控制器参数的选择范围。此外,利用星星间的相对位置信息确定各从星的期望姿态和角速度,以确保对卫星编队进行姿态协同控制,达到跟踪同步的目的。最后将提出的算法应用于卫星三角形编队飞行的协同控制,仿真结果表明该方法的可行性与有效性,具有潜在的应用前景。     

基于Multi-Agent的编队飞行卫星体系结构研究

卫星编队的自主运行与管理能够节约大量成本,并能充分发挥卫星编队的整体功能,是编队飞行的关键技术之一。Multi-Agent系统的一些基本特性正好满足了卫星编队自主性的需求,因此从Agent概念出发,分析了将Agent技术应用于卫星编队的优势,研究了基于Multi-Agent的卫星编队垂直分层体系结构,并详细描述了每个层中各子Agent的功能,最后给出了卫星编队的一般协同工作流程,并针对基于Multi-Agent编队飞行系统,提出了几项需要解决的关键技术。     

一种编队目标架次检测方法

针对常规低分辨雷达无法直接在距离和方位上分辨编队目标的缺陷,分析了编队目标间距引起目标间多普勒频率的差异和目标多普勒频率的变化规律,探讨了用时频分布分辨目标的可能性.提出了一种基于编队目标回波时频分布生成的图像,利用图像描述技术,实现编队目标架次检测的方法.实测目标回波数据实验结果表明,该方法能可靠检测目标架数,具有一定的抗噪声和抗干扰能力,同时计算量小,易于实时实现,优于常规Radon变换方法.     

一种空间飞行器编队重组的轨道优化方法

现有的空间飞行器编队重组的轨道规划方法在求解能量最优策略时,都预先给定了变轨花费的时间,但没有说明给定的时间是怎么选择的.将空间飞行器主从编队重组的轨道规划视为一个多目标优化问题,提出了一种小生境进化算法.该方法通过使用特定的染色体表示方法和进化算子,能有效的搜索到飞行器编队重组轨道规划问题的时间.能量前沿,并引入等值分享法保证优秀个体具有较大的选中概率和前沿的多样性.该方法能同时提供多种变轨方案,编队飞行的任务制定者从而可以根据实际应用情况选择最合适的方案.仿真结果表明了该方法的正确性.     

编队飞行最优相对轨迹生成与跟踪控制

燃料消耗和对参考轨迹的跟踪误差是编队任务的主要关注因素,为尽量节省燃料且减小跟踪误差,需要设计合理的参考轨迹与跟踪控制算法。为此,首先推导描述星间相对运动的完整动力学方程以及对参考轨迹的跟踪误差方程,基于完整相对动力学模型的无摄动形式,利用LGR(Legendre Gauss Radau)法将最优轨迹规划问题转化为非线性规划问题,使其可以数值求解;进而设计了带极点配置的H∞控制器,通过将系统闭环极点配置到左半复平面的合适区域,可以得到满意的跟踪误差同时维持合理的燃料消耗,在存在地球引力摄动、空间环境扰动以及主星轨道机动的情况下,能够完成对期望轨迹的跟踪。仿真结果显示了结果的有效性。     

卫星编队飞行碰撞预警策略仿真研究

针对近地圆轨道编队卫星碰撞预警问题,建立了仿真想定。提出了以拟最大瞬时碰撞概率为检测指标的碰撞预警策略,利用典型轨道仿真验证了策略的有效性。拟最大瞬时碰撞概率的计算,需要求解预警时间段内编队卫星间的最小距离和发生时刻。通过对距离平方的导数函数的分析,提出了一种变尺度直接逼近算法,用于寻找距离函数的极点,从而完成极小值的求解。对典型轨道的仿真结果显示：变尺度直接逼近算法能够完成距离函数最小值的求解。的研究成果将对卫星编队碰撞预警的工程化提供有益的参考。     

改进Quatre算法的无人机编队快速集结方法

为了提高多无人机在编队集结过程中的稳定性, 提出基于改进拟仿射类进化(improved quasi-affine transformation evolutionary, IQuatre)算法的无人机编队集结方法。首先, 基于分布式模型预测控制(distributed model predictive control, DMPC)建立无人机编队的运动预测模型, 通过预测无人机的“未来态”规避编队内碰撞风险, 滚动优化的数学模型提高了无人机到达指定位置的稳定性, 使得无人机更好、更快地加入编队飞行; 其次, 对Quatre算法进行种群优化改进, 将携带最优基因的父代个体有选择性地加入子代种群, 加快种群收敛。实验结果表明, 基于DMPC的无人机编队集结未出现碰撞情况, 减小了无人机调整状态过程中出现的位置偏差; 对比仿真验证了IQuatre算法能够提高编队集结的稳定性, 较原Quatre算法减少了5.2%的平均迭代次数, 在计算时间上节约了4.6%, 位置误差减小了0.45 m。     

基于EKF残差向量的编队卫星测量器件故障诊断

针对同时采用两个测量装置,即无线电和GPS的编队卫星可能发生的测量器件硬故障情况,提出了两种基于解析余度的状态估计故障诊断方法。即首先分别采用无线电测量和GPS测量得到的测量数据作为观测量并联合编队卫星的相对状态进行广义卡尔曼滤波,然后得到残差序列,基于该残差序列设计出了残差加权平方和检验法和残差χ2检验法,最后通过仿真实例对所给出检验方法进行了比较。     

基于视觉的近距离编队对偶四元数相对位姿估计算法

针对近距离编队飞行中位姿估计问题,提出了一种新的点到区域匹配航天器间视觉相对位姿估计算法。给定主星表面上的点集及与之匹配的从星摄像机像平面图像凸区域,结合对偶四元数及凸优化数学工具,充分利用对偶四元数描述坐标系变换的简洁性,建立了对偶四元数凸优化位姿估计模型,估计出主星与从星之间的相对位姿参数。该算法不仅利用对偶四元数较传统四元数描述坐标系变换的优势,而且采用凸优化方法可大大降低传统位姿估计方法中需要精确的点到点匹配的要求。仿真结果证明,该算法能满足近距离编队相对位姿估计精度要求,具有较好的鲁棒性,对目前航天任务中航天器间视觉相对位姿估计具有重要参考价值。     

近距离绳系卫星动力学与释放方法研究

针对绳系子星近距离快速释放问题,研究了短系绳释放过程的动力学特性,分析了适当的释放方式.考虑子星姿态,建立了绳系卫星系统运动学与动力学模型,探索了适合于近距离系绳释放的方式.提出以一定初始速度释放子星,并通过减速释放保证系绳张紧的释放方法.通过数学仿真,分析了释放过程中系绳与子星姿态的运动特性.表明这种方法能够实现绳系子星任意方向的释放,满足快速释放的要求.减速释放过程中系绳轨道面内角度以轨道角速度发生偏移,子星姿态小幅振动,系绳保持张紧.这些动力学特性为以后近距离绳系卫星的释放与的控制提供了重要依据.     

基于路径-速度解耦的无人机编队协同轨迹规划

针对无人机编队在复杂机动情形下的协同轨迹规划问题,提出了一种基于路径-速度解耦方法的预瞄自适应轨迹规划方法。在路径规划阶段,考虑无人机转弯机动的曲率限制,采用Dubins曲线作为路径构成的基本子结构。为得到最优的Dubins曲线连接控制点,设计了自适应预跟随路径特征的预瞄距离规划算法。在速度规划阶段,针对控制参数化与时间离散化(control parameterization and time discretization, CPTD)的速度规划方法,提出了栅格化空域下差异区间速度规划方法,简称为DIPR。仿真结果表明,预瞄距离自适应算法能够有效优化路径,对比固定预瞄距离方法在转向弧度上平均减少30.70%,在跟踪偏离上减少16.41%,在路径长度上缩短10.87%。对比CPTD方法, DIPR平均提前30代收敛,收敛值平均提高10.67%,编队完成队形集结时间平均缩短15.4 s。得到结果更快更优,并且速度曲线结果连续平滑。     

基于路径-速度解耦的无人机编队协同轨迹规划

针对无人机编队在复杂机动情形下的协同轨迹规划问题,提出了一种基于路径-速度解耦方法的预瞄自适应轨迹规划方法。在路径规划阶段,考虑无人机转弯机动的曲率限制,采用Dubins曲线作为路径构成的基本子结构。为得到最优的Dubins曲线连接控制点,设计了自适应预跟随路径特征的预瞄距离规划算法。在速度规划阶段,针对控制参数化与时间离散化(control parameterization and time discretization, CPTD)的速度规划方法,提出了栅格化空域下差异区间速度规划方法,简称为DIPR。仿真结果表明,预瞄距离自适应算法能够有效优化路径,对比固定预瞄距离方法在转向弧度上平均减少30.70%,在跟踪偏离上减少16.41%,在路径长度上缩短10.87%。对比CPTD方法, DIPR平均提前30代收敛,收敛值平均提高10.67%,编队完成队形集结时间平均缩短15.4 s。得到结果更快更优,并且速度曲线结果连续平滑。     

基于无模型无迹粒子滤波的编队卫星相对运动估计

由于地球引力和大气阻力等因素造成的模型不确定性,使常规滤波方法用于卫星编队飞行相对运动估计时精度不高。为克服这种影响,提出了一种融合高斯过程回归(Gaussian process regression,GPR)的无模型无迹粒子滤波(model free unscented particle filter, MF-UPF)方法。对近圆轨道的双星编队问题,新方法通过高斯过程回归对已有的量测数据学习建立相对运动模型, 有效地避免了模型不确定性造成的滤波性能下降。仿真对比验证了无模型无迹粒子滤波在编队飞行相对运动估计中的优越性。     

近圆参考轨道卫星编队脉冲控制方法

针对高斯摄动方程在描述近圆轨道时其近地点幅角和平近点角存在奇异性的问题,采用非奇异轨道要素描述卫星轨道运动,推导了适用于近圆参考轨道编队的非奇异轨道要素脉冲控制模型。基于该模型,首先设计了一个法向脉冲同时调整轨道倾角和升交点赤经偏差;然后,先假定采取在两个位置分别同时施加切向和径向脉冲的策略调整其余轨道要素偏差,分析了如在第一个位置施加切向脉冲时将会导致的复杂非线性问题,从而提出了一种在轨道上的某两个位置分别仅施加径向和切向脉冲的双脉冲控制修正算法,并且分析了该算法的燃料消耗情况。最后通过数值仿真验证了算法的简单性和有效性。     

空间操作任务的分布式仿真系统

针对非合作目标抓捕、在轨维护、空间装配等复杂空间操作任务的地面验证需求,构建一套分布式仿真系统,主要由后台仿真模型、前端视景演示系统和前端主控制器组成。为实现不同建模工具或编程语言之间的多学科模型耦合与交互,引入FMI(functional mock-up interface)标准进行系统集成,提高了系统的模块化程度、通用性与可移植性。为充分利用计算资源、提高仿真效率,分布式部署仿真子系统与模块,利用DDS(data distribution service)通信机制实现高效、可靠的数据交互。双臂空间机器人抓捕非合作目标的演示案例表明,该仿真系统能够高保真模拟从远距离导引到近距离操作的全过程,满足实时仿真的要求。     

基于改进人工势场法的多无人机三维编队路径规划

针对传统人工势场法的障碍物附近目标不可达、存在局部极小点和振荡的问题对势场函数进行分析和改进,以保证目标点为势场的全局最小点。在动态势场中,引入是否陷入局部极小点的判断机制,并结合一种“沿目标方向90°移动”的方法来跳出局部极小点,实现多无人机编队的路径规划、协同避障和防碰撞。利用回归搜索法来对路径进一步优化。MATLAB的仿真结果显示,该方法有效地弥补了传统人工势场法的不足,提高了人工势场法的实用性。     

分布式小卫星雷达阵列误差估计与校正方法

当前星载测量仪器难以获得分布式小卫星SAR系统相干处理的阵元位置测量精度,为此提出了一种可以直接从杂波数据中估计阵列误差的算法,进而可以对阵列误差进行有效的校正.该算法充分利用分布式小卫星SAR系统接收回波数据的空-时-频特点,具有简单、收敛快、估计精度高等优点.最后利用仿真验证了该方法的有效性.