编队飞行挠性航天器的输出反馈姿态协同控制

研究了在姿态调节和时变参考姿态跟踪情况下,且挠性模态变量和角速度不可测量时的编队飞行挠性航天器的姿态协同控制问题。针对姿态调节问题,在挠性模态不可测量的情况下,将文献中已有的用于刚体航天器编队飞行的比例〖CD*2〗微分协同控制器,推广到了挠性航天器编队的情形。然后,针对姿态跟踪问题,通过构造关于挠性模态的期望动态系统,并利用无源滤波器,提出了一种仅利用姿态测量信息的无速度反馈协同控制器。仿真结果表明了所提出控制方案的有效性。     

GPSNISNAV integrated relative navigation and attitude determination system for ultra-close spacecraft formation flying

For the improvement of accuracy and better fault-tolerant performance, a global position system (GPS)/vision navigation (VISNAV) integrated relative navigation and attitude determination approach is presented for ultra-close spacecraft formation flying. Onboard GPS and VISNAV system are adopted and a federal Kalman filter architecture is used for the total navigation system design. Simulation results indicate that the integrated system can provide a total improvement of relative navigation and attitude estimation performance in accuracy and fault-tolerance.     

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.     

GPS/VISNAV integrated relative navigation and attitude determination system for ultra-close spacecraft formation flying

For the improvement of accuracy and better faulttolerant performance, a global position system (GPS)/vision navigation (VISNAV) integrated relative navigation and attitude determination approach is presented for ultra-close spacecraft formation flying. Onboard GPS and VISNAV system are adopted and a federal Kalman filter architecture is used for the total navigation system design. Simulation results indicate that the integrated system can provide a total improvement of relative navigation and attitude estimation performance in accuracy and fault-tolerance.     

航天器非线性鲁棒自适应姿态机动控制律

针对存在未知转动惯量和外部干扰力矩的敏捷航天器快速大角度姿态机动问题,结合非线性反步法和Lyapunovo稳定性分析方法设计控制力矩和转动惯量估计值的非线性鲁棒自适应控制律。在控制力矩控制律中,加入非线性阻尼项对外部干扰力矩进行补偿,证明了系统的全局一致最终有界稳定性。引入非线性动系数增加系统的动态性能,提高了姿态快速机动后的快速稳定能力。在Maltlab/Simulink环境下进行航天器姿态机动控制仿真研究,仿真结果验证了所设计控制器的有效性和可行性。     

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。     

多智能体系统的有限时间跟踪控制

基于领导-跟随者模型研究了多智能体系统的有限时间跟踪控制问题。针对领导者状态是时变的情况,提出了一类非线性有限时间跟踪控制算法,在固定网络拓扑结构下,利用Lyapunov有限时间稳定性理论和矩阵理论分析,得到了该算法使得系统中跟随者状态在有限时间内与领导者状态达到一致的充分条件;在切换网络拓扑结构下,提出了一类有限时间跟踪控制算法,在领导者的状态是时不变的情况下,给出了该算法使得系统实现有限时间跟踪控制的充分条件。仿真实例验证了所提出两类算法的有效性。     

航天器姿态的神经网络动态逆控制

针对航天器姿态系统,提出了一种基于自适应神经网络动态逆的控制算法。该算法针对滚转、俯仰和偏航三个姿态子系统,设计了两组神经网络:第一组是BP网络,用来逼近三个姿态通道的非线性项,可获得姿态逆模型;第二组是非线性自适应神经网络,用于在线实时地补偿逆模型存在的误差和外加干扰。详细分析了非线性自适应神经网络的拓扑结构、学习规则和调整算法。给出了应用该算法的具体实例,通过仿真实验证明该算法的有效性。     

基于脉冲星相关的编队航天器间相对距离的确定

针对编队航天器间相对导航的需要,提出了利用脉冲星的脉冲接收信息确定编队航天器间相对距离的方法。该方法利用编队航天器对同一脉冲星的观测信息,将不同航天器接收的脉冲星信号进行相关处理而获得航天器间相对距离。同时通过对脉冲星频谱特征的分析,给出了相对距离估计的精度。结合实际的编队航天器系统的轨道信息进行了仿真,结果表明,利用相关估计的方法可以完成航天器间的相对距离确定,为今后航天器编队飞行的应用提供了新的技术支持。     

具有预设性能的近距离星间相对姿轨耦合控制

针对存在系统不确定性和外界干扰的接近绕飞阶段跟踪航天器相对目标航天器的姿态与轨道一体化控制任务,设计了一种具有预设性能的鲁棒反演控制器。该控制器能预先设计系统的稳态与暂态性能,保证相对姿轨跟踪误差满足预先设计的性能指标要求;为避免传统反演控制方法中存在的“微分膨胀”问题,引入滑模微分器对虚拟控制量的导数进行估计;同时利用自适应控制技术估计不确定模型参数及包含滑模微分器估计误差和外界干扰的集总干扰上界,并引入鲁棒补偿项处理这些不确定性带来的影响。理论分析证明所设计的控制方法能保证相对姿轨跟踪误差满足预设性能指标要求,仿真结果验证了所设计控制方法的有效性。     

一类非完整系统的有限时间镇定控制

针对一类可化为链式标准型的非完整系统的有限时间镇定问题,提出了一种基于切换控制策略的有限时间镇定控制器,并给出了控制器参数的选择条件。该控制器利用切换控制的思想,根据系统的状态变化,通过有限次切换,可使得非完整链式系统各状态在有限时间内从任意的非平衡位置收敛至平衡位置。最后给出了应用该控制器控制非完整链式系统的具体形式,通过仿真实验验证了所设计的有限时间镇定控制器的有效性。     

Finite-time tracking control for motor servo systems with unknown dead-zones

A finite-time tracking control scheme is proposed in this paper based on the terminal slid- ing mode principle for motor servo systems with unknown nonlinear dead-zone inputs. By using the differential mean value theorem, the dead-zone is represented as a time-varying system and thus the inverse compensation approach is avoided. Then, an indirect terminal sliding mode control （ITSMC） is developed to guarantee the finite-time convergence of the tracking error and to overcome the singu- larity problem in the traditional terminal sliding mode control. In the proposed controller design, the unknown nonlinearity of the system is approximated by a simple sigmoid neural network, and the ap- proximation error is diminished by employing a robust term. Comparative experiments on a turntable servo system are conducted to show the superior performance of the proposed method.     

J2和大气阻力摄动下卫星编队队形控制

针对低轨运行的编队卫星在J2和大气阻力摄动作用下其编队队形会很快遭到破坏的情况,以平均轨道根数描述卫星编队中从星相对于主星的相对轨道构形,基于高斯摄动方程,给出了在这两种摄动作用下的、以平均轨道根数为被控制量的状态方程并设计了相应的非线性控制律控制卫星编队队形。最后,数值仿真结果验证了所给出控制律的有效性。     

基于编队卫星的SAR高方位向分辨率成像

针对编队卫星被动工作方式下提高SAR方位向分辨率的构型,在建立信号回波模型和详细分析提高方位向分辨率原理的基础上,提出了对基线的要求及频谱合成算法。该算法充分利用了编队卫星SAR系统中不同接收机的视角信息,有效地完成了多组不同多普勒位置的信号相干合成,实现了系统分辨率的提高。计算机仿真结果表明该算法具有良好的性能。     

基于NTSM的航天器特征点凝视跟踪控制

针对航天器特征点凝视以及随动跟飞问题,提出了一种建立在目标特征点指向(feature point directing, FPD)坐标系下的相对运动动力学模型,并基于非奇异终端滑模方法(nonsingular terminal sliding mode, NTSM)实现了航天器的相对姿轨耦合控制。首先,以凝视跟踪的目标特征点为原点,跟踪指向轴为主轴,建立了FPD坐标系下的特征点相对运动模型,该模型在控制过程中可以保持特征点相对运动期望状态稳定不变,从而降低了末端约束的处理难度。其次,基于NTSM方法设计了一种有限时间控制律,并对其稳定性和滑模到达时间进行了分析,理论证明了该控制律满足Lyapunov稳定性条件,且系统能在有限时间内迅速收敛到平衡状态。最后,仿真结果表明FPD坐标系下的特征点相对运动模型以及NTSM控制律在求解特征点凝视跟踪问题上具有良好的性能和普适性,研究成果对空间在轨维护、空间操控以及深空小天体悬停着陆等具有一定的理论参考价值。     

导弹协同作战编队飞行控制系统研究

提出了具有3个回路的导弹协同作战编队飞行控制系统,分别对3个回路进行设计分析,并重点分析导弹的四维制导控制外回路和编队控制回路。面向具有过载自动驾驶仪内回路的增广飞控系统,设计了基于总能量控制理论的高度/速度解耦控制器,能够实现导弹制导控制外回路的高度/速度解耦。基于导弹编队队形的位置偏差关系设计了导弹编队控制器,最后综合3个回路构成了导弹编队飞行控制系统。仿真结果表明,各回路以及导弹编队控制系统具有很好的控制性能,能够快速、稳定地完成导弹编队的队形调整动作,进而实现任务规划系统对导弹编队提出的作战任务。     

Research on optimal guaranteed cost control of flexible spacecraft

This article is concerned with the modeling and control problems of the flexible spacecraft. First, the state observer is designed to estimate the vibration mode on the basis of free vibration models, Then, an optimal guaranteed cost controller is proposed to stabilize system attitude and damp the vibration of the flexible beam at the same time. Numerical simulation examples show the feasibility and validity of the proposed method.     

空间绕飞任务中航天器姿态跟踪的鲁棒控制

研究了空间绕飞任务中从航天器对主航天器进行观测时的姿态跟踪控制问题,提出了综合考虑挠性、外部扰动和参数不确定性等因素的输入饱和鲁棒控制器设计方法。根据主、从航天器的质心相对运动信息,解算出了从航天器的期望跟踪姿态。为保证从航天器跟踪期望姿态时控制器的有界性和强鲁棒性,将文献中已有的一种一阶滑模姿态调节控制器推广到了姿态跟踪的情况。进一步,为消除一阶滑模控制的高频抖振问题,将姿态跟踪问题转化成了标准的二阶滑模控制问题,提出了一种连续的二阶滑模姿态跟踪控制器。仿真结果表明,本文算法能有效实现绕飞过程中的姿态跟踪,同时具有强鲁棒性。     

一种质量矩飞行器配置方案及其控制问题分析

针对大气层外三轴稳定质量矩飞行器,考虑降低飞行器的成本和重量,提出了应用两套执行机构的配置方案,并利用旋转电机代替直线电机作为执行机构来实现飞行器的姿态调整。在此基础上,利用动量矩定律,建立了飞行器的非线性动力学模型,并对两种执行机构在无推力情况下的姿态调整能力进行了比较,结果表明,旋转式执行机构提高了质量矩飞行器在无推力作用情况下的姿态调整能力。最后,分析了该质量矩飞行器配置方案所存在的控制问题,为下一步的姿态控制设计奠定了基础。     

并联式运载器上升段广义超螺旋有限时间控制

针对受模型不确定和外部干扰影响的并联式运载器上升段姿态控制问题, 提出了一种基于广义超螺旋算法的自适应滑模有限时间控制方法。首先, 将姿态跟踪控制问题转化为跟踪误差系统的镇定问题, 建立了面向控制的模型。其次, 将单输入单输出(single input single output, SISO)固定时间广义超螺旋算法拓展应用到多输入多输出(multiple input multiple output, MIMO)耦合非线性系统上, 基于该算法设计了固定时间状态观测器和自适应滑模有限时间控制器, 利用Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统的有限时间稳定特性。最后, 通过与传统比例-微分(proportional and differential, PD)控制器仿真对比, 验证了该方法具有更优的控制精度和鲁棒性。