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基于测地线的航天器集群隐蔽机动轨迹规划

宇航学报 2024年第4期45卷 513-522页

作者：王璟贤白玉铸陈致钧郑中旭赵勇陈小前国防科技大学空天科学学院长沙410073 军事科学院北京100091

针对航天器集群隐蔽机动问题,提出一种基于测地线的航天器集群轨迹规划方法。该方法将轨迹规划问题抽象到微分流形拓扑空间中,通过数学定义赋予空间结构度量。首先将集群的运动约束、避撞约束以及隐蔽构型约束等非凸约束集成到度量中,... 详细信息

针对航天器集群隐蔽机动问题,提出一种基于测地线的航天器集群轨迹规划方法。该方法将轨迹规划问题抽象到微分流形拓扑空间中,通过数学定义赋予空间结构度量。首先将集群的运动约束、避撞约束以及隐蔽构型约束等非凸约束集成到度量中,避免增加系统维度的同时无需进行约束凸化处理。进一步定义了一个依赖于流形度量的目标泛函,利用同伦变换将泛函局部极值问题转为偏微分方程求解问题。数值仿真结果表明,相比于模型预测-序列凸规划算法,该方法在解决了隐蔽机动非凸多约束问题的同时,具有不依赖于初始猜想、集群内部隐蔽覆盖性高和系统控制输入小的特点,能够为航天器集群提供有效的隐蔽机动轨迹。

关键词：航天器集群测地线隐蔽机动轨迹规划黎曼度量

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航天器隐蔽机动:概念、原理与方法

宇航学报 2024年第7期45卷 1065-1077页

作者：郑中旭白玉铸陈致钧董默楠赵勇陈小前国防科技大学空天科学学院长沙410073 军事科学院北京100091

以维护航天器本体信息与状态信息安全为牵引,提出了航天器隐蔽机动的概念,阐述了相应的原理与方法。围绕单航天器隐蔽机动、航天器反监视博弈以及多航天器协同隐蔽机动等方向,探讨了基于数值方法、避障方法、运动伪装方法、博弈论以及... 详细信息

以维护航天器本体信息与状态信息安全为牵引,提出了航天器隐蔽机动的概念,阐述了相应的原理与方法。围绕单航天器隐蔽机动、航天器反监视博弈以及多航天器协同隐蔽机动等方向,探讨了基于数值方法、避障方法、运动伪装方法、博弈论以及编队轨迹规划方法等的求解框架及其在航天器隐蔽机动问题中的应用,为航天器隐蔽机动的轨迹规划与控制方法发展奠定了初步基础,为航天任务的隐蔽提供了一种新的解决思路。

关键词：隐蔽机动空间目标监视轨迹规划反监视博弈协同隐蔽

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基于体积激励法的推进剂剩余量测量研究

中国科学：技术科学 2024年第7期54卷 1379-1389页

作者：陈小前杨延杰黄奕勇张翔韩伟傅娟李晓龙军事科学院北京100071 军事科学院国防科技创新研究院北京100071 军事科学院系统工程研究院北京100141 中国空气动力研究与发展中心绵阳621000

卫星推进剂剩余量的准确测量技术,是航天领域长期的技术难题.体积激励法是一种高精度的推进剂剩余量测量方法,具有重复性好、可靠性高、耗能低等特点,在卫星贮箱推进剂剩余量的精确测量中具有广泛应用前景.本文在介绍体积激励法基本原... 详细信息

卫星推进剂剩余量的准确测量技术,是航天领域长期的技术难题.体积激励法是一种高精度的推进剂剩余量测量方法,具有重复性好、可靠性高、耗能低等特点,在卫星贮箱推进剂剩余量的精确测量中具有广泛应用前景.本文在介绍体积激励法基本原理的基础上,分析得出低频激励(<0.1 Hz)有利于提高测量精度.研制了地面验证原理样机,完成了低频激励对测量结果影响的地面试验验证.在此基础上,设计研制了真实推进系统推进剂剩余量测量的试验样机.试验结果表明,对真实推进系统中的贮箱采用低频激励(约0.05 Hz),体积激励法测量可重复性能达到0.38%、测量精度能达到0.6%,能够实现推进系统中推进剂剩余量的精确测量.

关键词：推进剂剩余量体积激励法激励频率测量误差

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面向集群飞行的微小卫星姿态容差估计与快速精细控制方法

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控制理论与应用 2023年第12期40卷 2247-2256页

作者：陈小前冉德超曹璐军事科学院北京100091 军事科学院国防科技创新研究院北京100071

针对微小卫星集群执行空间非合作目标操控等任务时对单星自身姿态的确定与快速控制问题,本文提出了一种容差估计与快速精细控制方法.该容差估计方法设计了一种鲁棒性强的中心误差熵稀疏高斯埃尔米特求积滤波器,实现了厚尾非高斯测量噪... 详细信息

针对微小卫星集群执行空间非合作目标操控等任务时对单星自身姿态的确定与快速控制问题,本文提出了一种容差估计与快速精细控制方法.该容差估计方法设计了一种鲁棒性强的中心误差熵稀疏高斯埃尔米特求积滤波器,实现了厚尾非高斯测量噪声作用下的姿态高精度估计.此外,该方法基于一种新的预定时间姿态跟踪精细控制器设计而成,在预定时间内精确估计并精细补偿了姿态动力学模型误差,并在执行器控制能力受限条件下实现了对高动态强时变姿态轨迹的预定时间跟踪控制,率先同时解决了执行器能力受限与姿态预定时间控制问题.将该方法应用于某型微小卫星姿态控制系统设计,仿真结果表明该方法能显著地提高姿态估计精度与姿态跟踪控制速率.

关键词：微小卫星执行器受限干扰抑制中心误差熵厚尾非高斯噪声精细补偿预定时间控制

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卫星总体与姿态控制一体化优化设计方法

宇航学报 2023年第4期44卷 465-475页

作者：陈小前陈献琪曹璐张翔姚雯军事科学院北京100091 军事科学院国防科技创新研究院北京100071

针对传统卫星总体和控制串行设计过程低效、设计性能受限、设计方案冗余等问题,提出了一种卫星总体与姿态控制一体化优化设计方法。在轨道、结构、电源、推进等多学科耦合的传统总体设计模型基础上,将面向应用任务过程的卫星姿态控制仿... 详细信息

针对传统卫星总体和控制串行设计过程低效、设计性能受限、设计方案冗余等问题,提出了一种卫星总体与姿态控制一体化优化设计方法。在轨道、结构、电源、推进等多学科耦合的传统总体设计模型基础上,将面向应用任务过程的卫星姿态控制仿真嵌入卫星多学科分析过程中,实现卫星总体方案与姿态控制的耦合精确分析和整体任务效能的综合评估,在此基础上进一步实现总体和控制的一体优化。最后,以某对地观测敏捷卫星为对象开展方法应用研究,优化结果表明所提方法获得了比传统设计方法目标函数性能更优、冗余度更低的设计方案,验证了卫星总体与姿态控制一体化优化设计方法的可行性和有效性。

关键词：卫星总体设计姿态控制一体化优化多学科设计优化

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火箭高温高速喷流注水降噪数值计算与分析

航空学报 2023年第7期44卷 51-65页

作者：刘俊林徐希海张志成陈小前国防科技大学空天科学学院长沙410073 北京特种工程设计研究院北京100028 北京航空航天大学航空发动机研究院北京100191

以某火箭发动机缩比喷管为研究对象,针对火箭发射的典型工况,基于计算流体力学(CFD)及Mixture多相流模型分别开展了孤立火箭喷流与注水降噪条件下的平均流场数值计算。分析了注水条件下,水流对火箭喷流平均温度、压力、速度和湍动能场... 详细信息

以某火箭发动机缩比喷管为研究对象,针对火箭发射的典型工况,基于计算流体力学(CFD)及Mixture多相流模型分别开展了孤立火箭喷流与注水降噪条件下的平均流场数值计算。分析了注水条件下,水流对火箭喷流平均温度、压力、速度和湍动能场的影响,并在此基础上采用自主发展的基于RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)的喷流噪声预测程序,在分析火箭高温燃气喷流湍流混合噪声、宽带激波噪声频谱特性和指向性的基础上,研究了注水对火箭燃气喷流湍流混合噪声与宽带激波噪声在不同频率、不同观测位置的影响规律,为后续火箭起飞降噪方案的设计提供了技术基础。

关键词：火箭喷流噪声注水降噪气动声学多相流

面向无人环境的机器人生态圈自主任务决策方法

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国防科技大学学报 2022年第5期44卷 209-219页

作者：刘红卫徐磊李泰博陈小前张育林军事科学院国防科技创新研究院北京100071

借鉴自然界生态系统的典型特征,提出机器人生态圈概念。通过使集群机器人进行智能协同与复杂演化,涌现自我维持、自我复制与自我进化等生命特征,实现无人条件下的长期生存、繁衍与进化,并执行特定的任务。针对机器人生态圈典型任务场景... 详细信息

借鉴自然界生态系统的典型特征,提出机器人生态圈概念。通过使集群机器人进行智能协同与复杂演化,涌现自我维持、自我复制与自我进化等生命特征,实现无人条件下的长期生存、繁衍与进化,并执行特定的任务。针对机器人生态圈典型任务场景的自主任务决策需求,分析不同机器学习任务决策方法的特点,建立机器人生态圈自主任务决策的决策树模型和神经网络模型。分析表明,两种模型的正确率均在80%~90%,且均具有良好的稳定性。这说明,机器人生态圈自主任务决策问题可以通过决策树、神经网络等机器学习方法来很好地加以解决,从而为面向无人化场景的任务应用提供技术支持。

关键词：机器人生态圈决策树神经网络机器人集群任务决策

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气控软体驱动器结构分析与优化设计

国防科技大学学报 2022年第2期44卷 150-161页

作者：刘卓群张翔黄奕勇陈小前赵勇国防科技大学空天科学学院湖南长沙410073 军事科学院国防科技创新研究院北京100071

气控软体驱动器的结构特性对其运动和力学特性影响显著,目前气控软体驱动器支反力和倾角性能亟须提升。基于ABAQUS提供的脚本接口,采用Python语言开发脚本建立气控软体驱动器参数化仿真模型,将尺寸因子作为优化变量,联立Isight和ABAQUS... 详细信息

气控软体驱动器的结构特性对其运动和力学特性影响显著,目前气控软体驱动器支反力和倾角性能亟须提升。基于ABAQUS提供的脚本接口,采用Python语言开发脚本建立气控软体驱动器参数化仿真模型,将尺寸因子作为优化变量,联立Isight和ABAQUS,采用单因子试验方法确定倾角和支反力两个目标量的高敏感性影响因子。运用归一化与加权策略及进化优化算法对倾角与支反力进行全局目标优化,得到最优参数组合。结果表明,支反力和倾角相对于响应初值分别提升29%、136%,实现气控软体驱动器有限元计听语音聊科研与作者互动算和多变量优化耦合运行,同步提升了气控软体驱动器的弯曲变形能力和负载能力。

关键词：气控驱动器参数化敏感性分析多目标优化设计

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低轨巨型星座网络:组网技术与研究现状

通信学报 2022年第5期43卷 177-189页

作者：陈全杨磊郭剑鸣李星辰赵勇陈小前国防科技大学空天科学学院湖南长沙410073 复杂飞行器系统仿真重点实验室北京100094 军事科学院国防科技创新研究院北京100071

以新兴低轨巨型星座网络为研究对象,概述了系统基本架构与工作模式,总结了新兴巨型星座网络的基本特征。根据系统架构,从卫星网络拓扑动态性管理、星地链路切换策略、路由算法设计、地面信关站布局优化设计以及网络仿真与性能评估5个方... 详细信息

以新兴低轨巨型星座网络为研究对象,概述了系统基本架构与工作模式,总结了新兴巨型星座网络的基本特征。根据系统架构,从卫星网络拓扑动态性管理、星地链路切换策略、路由算法设计、地面信关站布局优化设计以及网络仿真与性能评估5个方面系统梳理了各关键技术的主要技术路线和研究进展,尤其是近期巨型星座的相关研究进展。重点分析了低轨巨型星座中星座规模和复杂度扩增对组网关键技术的挑战,以及现有的各类解决方法在巨型星座宽带网络场景下的适用性。最后对未来巨型星座网络的相关研究方向进行了展望。

关键词：低轨巨型星座宽带卫星网络星链卫星网络路由信关站布局卫星网络仿真