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火星上升器入轨段自适应迭代制导方案设计

深空探测学报（中英文） 2024年第1期11卷 31-39页

作者：宋春郭延宁郭敏文李琨空间物理重点实验室北京100076 哈尔滨工业大学控制科学与工程系哈尔滨150001 北京控制工程研究所北京100094

针对火星上升器入轨段的制导问题,设计了一种自适应迭代制导策略。为降低初始状态偏差和火星环境不确定性的影响,每个周期内在制导坐标系下迭代计算剩余飞行时间,求解出在上升器推力大小固定情况下满足目标点位置与速度矢量约束的最优... 详细信息

针对火星上升器入轨段的制导问题,设计了一种自适应迭代制导策略。为降低初始状态偏差和火星环境不确定性的影响,每个周期内在制导坐标系下迭代计算剩余飞行时间,求解出在上升器推力大小固定情况下满足目标点位置与速度矢量约束的最优控制角,进而实时修正飞行轨迹。仿真结果表明,相较于传统的开环制导方案,提出的方案显著地提升了制导精度,其中高度误差降低3个量级,最大速度误差降低至原开环制导的三分之一,入轨点轨道倾角和偏心率误差均满足基本工程需求,可作为未来火星上升器入轨段制导的一种可靠方案。

关键词：火星上升器入轨段迭代制导最优控制

基于改进蜣螂优化的GEO轨道多脉冲追逃博弈

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中国空间科学技术（中英文） 2024年第4期44卷 1-10页

作者：郭延宁李高健于永彬哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001

研究了考虑J_(2)摄动、脉冲推力情况下,具有感知延迟的GEO(geosynchronous Earth orbit)轨道追逃博弈问题,建立了综合考虑燃料消耗、单次脉冲速度增量、脉冲时间间隔、任务时长、脉冲数量以及终端距离下的轨道追踪策略优化模型。涉及的... 详细信息

研究了考虑J_(2)摄动、脉冲推力情况下,具有感知延迟的GEO(geosynchronous Earth orbit)轨道追逃博弈问题,建立了综合考虑燃料消耗、单次脉冲速度增量、脉冲时间间隔、任务时长、脉冲数量以及终端距离下的轨道追踪策略优化模型。涉及的优化变量包括脉冲个数、机动时刻序列以及脉冲增量序列。追踪航天器通过多次脉冲追踪目标航天器。为了提高问题求解效率,提出了一种利用Bernoulli混沌映射和最优值引导的改进蜣螂优化算法IBDBO(improved Bernoulli dung beetle optimization),并且为解决终端约束难以满足的问题,引入Lambert机动修正。通过与其他智能算法的对比试验,验证了本算法在收敛速度、收敛稳定性和优化效率上的优势。进而,在一些存在感知延迟的真实场景下的仿真验证了本算法规划追踪策略的有效性,探讨了博弈双方最小距离与目标航天器机动能力以及感知延迟时间之间的因果关系。

关键词：脉冲推力轨道追逃博弈追踪策略改进蜣螂优化算法最小距离

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电推进GEO卫星的改进粒子群轨道保持优化设计

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宇航学报 2024年第4期45卷 523-531页

作者：吕跃勇王成李笑月郑重郭延宁哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001 中国科学院微小卫星创新研究院上海201203 哈尔滨工业大学机电工程学院哈尔滨150001

针对地球同步轨道(GEO)卫星轨道保持问题,提出了一种基于改进粒子群算法(PSO)的序列电推力轨道保持方法。首先,建立了GEO卫星高精度非线性轨道动力学模型和序列电推力模型。然后,设计了GEO卫星相对轨道保持策略,建立了以燃料消耗为性能... 详细信息

针对地球同步轨道(GEO)卫星轨道保持问题,提出了一种基于改进粒子群算法(PSO)的序列电推力轨道保持方法。首先,建立了GEO卫星高精度非线性轨道动力学模型和序列电推力模型。然后,设计了GEO卫星相对轨道保持策略,建立了以燃料消耗为性能指标的序列电推力轨道保持问题优化模型并进行了离散化。接着,通过引入差分进化算法和维度学习策略对粒子群优化算法进行了适应性改进,同时对推力大小和作用时间进行寻优计算。最后,通过数值仿真对所提出的改进粒子群优化算法进行了对比校验。结果表明,该方法在完成GEO卫星轨道保持任务的同时具备燃料消耗低和收敛速度快等优点。

关键词：卫星轨道保持电推进粒子群优化差分进化维度学习

一种超参数自适应航天器交会变轨策略优化方法

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宇航学报 2024年第1期45卷 52-62页

作者：孙雷翔郭延宁邓武东吕跃勇马广富哈尔滨工业大学(深圳)空间科学与应用技术研究院深圳518055 哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001 上海卫星工程研究所上海201109

利用强化学习技术,本文提出了一种超参数自适应的燃料最优地球同步轨道(GEO)航天器交会变轨策略优化方法。首先,建立了GEO航天器交会Lambert变轨模型。以变轨时刻为决策变量、燃料消耗为适应度函数,使用改进式综合学习粒子群算法(ICLPSO... 详细信息

利用强化学习技术,本文提出了一种超参数自适应的燃料最优地球同步轨道(GEO)航天器交会变轨策略优化方法。首先,建立了GEO航天器交会Lambert变轨模型。以变轨时刻为决策变量、燃料消耗为适应度函数,使用改进式综合学习粒子群算法(ICLPSO)作为变轨策略优化的基础方法。其次,考虑到求解的最优性和快速性,重新设计了以粒子群算法(PSO)优化结果为参考基线的奖励函数。使用一族典型GEO航天器交会工况训练深度确定性策略梯度神经网络(DDPG)。将DDPG与ICLPSO组合为强化学习粒子群算法(RLPSO),从而实现算法超参数根据实时迭代收敛情况的自适应动态调整。最后,仿真结果表明与PSO、综合学习粒子群算法(CLPSO)相比,RLPSO在较少迭代后即可给出适应度较高的规划结果,减轻了迭代过程中的计算资源消耗。

关键词：地球同步轨道 Lambert变轨强化学习粒子群算法深度确定性策略梯度

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基于快速筛选策略的多航天器交会任务规划

自动化技术与应用 2024年第8期43卷 7-11页

作者：李明明闫慧达黄盘兴郭延宁北京控制工程研究所北京100190 哈尔滨工业大学黑龙江哈尔滨150001

研究了位于地球同步轨道(GEO)上的多航天器交会任务规划问题。以交会所需的燃料作为优化指标,建立了一个交会任务规划模型,旨在确定服务航天器的交会顺序和机动轨迹。采用灵活的两脉冲兰伯特机动策略来实现目标交会,并通过遗传算法解决... 详细信息

研究了位于地球同步轨道(GEO)上的多航天器交会任务规划问题。以交会所需的燃料作为优化指标,建立了一个交会任务规划模型,旨在确定服务航天器的交会顺序和机动轨迹。采用灵活的两脉冲兰伯特机动策略来实现目标交会,并通过遗传算法解决优化问题。在约束条件处理中,引入了一种基于机器学习技术的分类筛选策略。快速判断个体的适应度值,减少适应度值计算,以提高进化算法的优化求解效率。最后,通过提供的仿真案例和对比实验,验证了所研究算法的卓越性能。

关键词：多航天器交会兰伯特机动分类筛选机器学习

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一种多幂次滑模趋近律设计与分析

自动化学报 2016年第3期42卷 466-472页

作者：张瑶马广富郭延宁曾添一哈尔滨工业大学控制科学与工程系哈尔滨150006 北京理工大学自动化学院北京100081

针对传统滑模趋近律使系统存在抖振现象、收敛速度较慢及动态响应不平滑等问题,提出一种多幂次滑模趋近律.该趋近律通过三个幂次项系数在系统趋近过程不同阶段进行针对性地调节,使系统动态响应过程的收敛速度大幅度提高,且无抖振现象.... 详细信息

针对传统滑模趋近律使系统存在抖振现象、收敛速度较慢及动态响应不平滑等问题,提出一种多幂次滑模趋近律.该趋近律通过三个幂次项系数在系统趋近过程不同阶段进行针对性地调节,使系统动态响应过程的收敛速度大幅度提高,且无抖振现象.理论验证了其存在性、可达性及稳定性,并详细推导了趋近速率及干扰稳定界.以航天器姿态机动控制系统为例,对比仿真结果表明该趋近律下,系统的动态过程有较大改善并消除了抖振,且在存在模型不确定性及外加干扰作用下,系统仍可较快地收敛到平衡点附近的邻域内.

关键词：多幂次趋近律滑模控制趋近速率干扰稳定界

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基于势函数法的航天器自主姿态机动控制

航空学报 2011年第3期32卷 457-464页

作者：郭延宁李传江马广富哈尔滨工业大学航天学院黑龙江哈尔滨150001

主要研究存在禁止姿态的航天器自主姿态机动控制问题。首先,给出航天器的动力学和运动学模型,利用四元数描述航天器与机动姿态和禁止姿态的姿态偏差,用相应的欧拉转角描述不同姿态间的距离。为利用势函数完成禁止姿态回避,结合航天器的... 详细信息

主要研究存在禁止姿态的航天器自主姿态机动控制问题。首先,给出航天器的动力学和运动学模型,利用四元数描述航天器与机动姿态和禁止姿态的姿态偏差,用相应的欧拉转角描述不同姿态间的距离。为利用势函数完成禁止姿态回避,结合航天器的运动情况设计排斥势函数(RPF)存在条件后,根据禁止姿态最小允许夹角构造一种新的排斥势函数。接着,利用排斥及吸引势函数(APF)的共同作用得到虚拟指令角速度,利用反步法得到自主姿态机动控制器。此外,针对控制受限问题给出控制参数自适应规则,并设计回避势函数局部极小值情况的切换控制器。最后,通过对不同禁止姿态区域的数学仿真,验证了设计方法的有效性和通用性。

关键词：势函数自主姿态机动禁止姿态回避反步法控制受限

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基于自适应未知输入观测器的多故障快速重构

系统工程与电子技术 2022年第7期44卷 2364-2373页

作者：高升马广富郭延宁哈尔滨工业大学航天学院黑龙江哈尔滨150001 中国科学院沈阳自动化研究所辽宁沈阳110016

针对一类非线性函数中耦合执行器故障的非线性动态系统,提出一种基于自适应未知输入观测器的多故障快速重构方法,通过引入比例项提高故障重构的快速性。首先,将执行器故障进行解耦处理并构建包含传感器故障的增广系统。然后,综合H_(∞)... 详细信息

针对一类非线性函数中耦合执行器故障的非线性动态系统,提出一种基于自适应未知输入观测器的多故障快速重构方法,通过引入比例项提高故障重构的快速性。首先,将执行器故障进行解耦处理并构建包含传感器故障的增广系统。然后,综合H_(∞)性能指标给出状态估计误差的稳定性证明。接着,将观测器增益矩阵的求解转化为受线线矩阵不等式约束的非线性优化问题,并实现执行器故障和传感器故障的多故障重构。最后,结合单关节柔性机器人算例仿真验证了所提方法的有效性。

关键词：多故障诊断故障重构快速自适应未知输入观测器非线性系统线性矩阵不等式

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卫星姿态的磁控制方法研究

卫星姿态的磁控制方法研究

作者：郭延宁哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

由于具备了“更快、更好、更省”等优点,近年来小卫星的研究受到了世界各国的高度重视,成为航天发展的一个重要方向。另一方面,由于磁力矩器具有结构简单、质量轻、功耗低、成本低等特性,直接使用磁力矩器对小卫星进行姿态控制也成为当... 详细信息

由于具备了“更快、更好、更省”等优点,近年来小卫星的研究受到了世界各国的高度重视,成为航天发展的一个重要方向。另一方面,由于磁力矩器具有结构简单、质量轻、功耗低、成本低等特性,直接使用磁力矩器对小卫星进行姿态控制也成为当前的研究热点。本文就对三轴稳定小卫星的姿态磁控制方法进行了研究。与传统控制器不同的是,磁控制力矩受地磁场限制,只能在与地磁场正交平面内产生,即系统在任意时刻都是不完全可控的,致使姿态磁控制没能在实际中得到广泛应用。本文则考虑了磁控制力矩产生的方向性约束和所受到的空间干扰力矩,建立了磁控小卫星的系统模型,分别针对不同飞行任务设计了四种磁控制律,并对它们进行了数学仿真验证和结果分析对比。首先,本文在研究了周期线性系统特性的基础上,针对卫星的周期线性系统模型,基于LQR方法设计了周期时变控制律并通过数学仿真验证了其控制性能;接着为了减少计算量,同样基于LQR方法设计了定常增益反馈控制器,并利用周期系统的Floquet定理对其稳定性进行了分析,仿真结果同样表明了该控制器的有效性和实用性。为了增强系统的鲁棒性,本文结合预测控制中的在线滚动优化原理,针对卫星的离散系统模型,设计了控制力矩受地磁场线性约束时的预测控制律,并分析了其稳定性。数学仿真表明了该控制算法有着稳态精度高,干扰抑制能力强等优点。考虑卫星在完成姿态机动任务时的强非线性,本文最后研究了滑模控制在卫星姿态磁控制中的应用。通过研究滑模控制原理和周期非线性系统稳定性定理,针对卫星的非线性系统模型设计了工程实用的滑模控制律,并结合磁力矩产生的方向性约束对其进行了修正。仿真结果表明,该控制律具有较强的鲁棒性和快速性。

关键词：卫星姿态控制磁力矩器 LQR 模型预测控制滑模控制