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航天器快速绕飞任务的六自由度滑模控制研究

宇航学报 2009年第4期30卷 1482-1488页

作者：朱彦伟杨乐平国防科技大学航天与材料工程学院长沙410073

随着航天器在轨服务的发展,快速绕飞成为当前航天任务设计的一个重要课题。快速绕飞采用受限相对运动轨迹,为了实现任务目标需要考虑航天器位置与姿态的六自由度耦合控制问题。采用滑模变结构控制理论,解决了航天器快速绕飞的六自由度... 详细信息

随着航天器在轨服务的发展,快速绕飞成为当前航天任务设计的一个重要课题。快速绕飞采用受限相对运动轨迹,为了实现任务目标需要考虑航天器位置与姿态的六自由度耦合控制问题。采用滑模变结构控制理论,解决了航天器快速绕飞的六自由度推力控制问题。首先,从完全非线性相对轨道动力学方程和修正罗德里格斯参数表示的姿态运动学方程出发,建立了包含未知有界干扰的六自由度动力学模型,该模型形式简单,适用于任意偏心率的目标轨道;其次,以圆形绕飞为例,给出了任意方位快速绕飞轨迹的数学表示和任意位置期望姿态的计算模型;然后,考虑航天器形状及推力器配置,应用滑模变结构控制的趋近律方法,设计了对未知有界干扰具有鲁棒性的控制律。最后的仿真算例验证了控制律的有效性。

关键词：航天器六自由度相对运动快速绕飞滑模控制

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慢旋非合作目标快速绕飞避碰控制

控制与决策 2018年第9期33卷 1612-1618页

作者：李学辉宋申民哈尔滨工业大学控制理论与制导技术研究中心哈尔滨150001

针对慢旋非合作目标,利用滑模控制和人工势函数理论设计两种快速绕飞避碰控制器以实现安全快速绕飞.通过考虑非合作卫星的几何形状,建立椭球避碰区域模型,解决了球形避碰区域无法实现的快速绕飞避碰问题.基于完全的非线性相对运动方程,... 详细信息

针对慢旋非合作目标,利用滑模控制和人工势函数理论设计两种快速绕飞避碰控制器以实现安全快速绕飞.通过考虑非合作卫星的几何形状,建立椭球避碰区域模型,解决了球形避碰区域无法实现的快速绕飞避碰问题.基于完全的非线性相对运动方程,分别针对系统外界扰动上界已知和未知的情形设计避免碰撞的快速绕飞控制器,所设计的控制器均可以严格地保证快速绕飞的安全性.利用Lyapunov理论证明了系统的渐近稳定性,并通过数值仿真验证了所设计控制器的有效性.

关键词：快速绕飞避免碰撞人工势函数滑模控制渐近稳定

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空间快速绕飞与视线指向的建模与控制

宇航学报 2014年第3期35卷 324-330页

作者：张庆展曾占魁靳永强赵金才上海航天技术研究院航天运输与维护总体技术研究中心上海201109 上海宇航系统工程研究所上海201109 哈尔滨工业大学哈尔滨150001

研究了航天器空间任意方位快速绕飞与视线指向的建模与控制问题。定义合理的绕飞参考坐标系和期望姿态坐标系,将该问题转化为绕飞参考坐标系内的XY平面运动和绕期望姿态系Y轴的姿态跟踪控制。通过引入期望相对位置矢量,建立了航天器空... 详细信息

研究了航天器空间任意方位快速绕飞与视线指向的建模与控制问题。定义合理的绕飞参考坐标系和期望姿态坐标系,将该问题转化为绕飞参考坐标系内的XY平面运动和绕期望姿态系Y轴的姿态跟踪控制。通过引入期望相对位置矢量,建立了航天器空间一般相对运动与视线指向的普适模型,并设计了相应控制律。以实现与目标轨道异面的快速圆绕飞视线指向为例进行了数学仿真,仿真中绕飞航天器采用冗余推力器配置,并引入伪逆法实现了控制指令的动态分配。数学仿真结果表明了该方法的正确性。

关键词：快速绕飞视线指向建模期望相对位置矢量

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卫星快速绕飞轨迹设计与制导

宇航学报 2007年第3期28卷 628-632,670页

作者：罗建军周文勇袁建平西北工业大学航天学院西安710072

快速绕飞在航天器近距离观测、空间目标识别与侦察、在轨服务与应急情况处理活动中具有重要应用。首先建立了适用于目标航天器运行在圆轨道或椭圆轨道的相对运动状态转移矩阵;然后,推导了采用多脉冲控制方法实现与目标航天器共面和异面... 详细信息

快速绕飞在航天器近距离观测、空间目标识别与侦察、在轨服务与应急情况处理活动中具有重要应用。首先建立了适用于目标航天器运行在圆轨道或椭圆轨道的相对运动状态转移矩阵;然后,推导了采用多脉冲控制方法实现与目标航天器共面和异面快速绕飞、进入绕飞和退出绕飞的轨迹设计与制导的模型和算法;最后,分析了绕飞过程速度脉冲需求与绕飞参数的关系。仿真计算结果表明所提出的快速绕飞轨迹设计模型和制导算法可以用于对圆轨道或椭圆轨道目标航天器的共面或异面快速绕飞。

关键词：快速绕飞状态转移矩阵椭圆轨道异面多脉冲机动

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航天器快速绕飞监测的相对姿轨耦合控制

航天控制 2014年第2期32卷 53-59页

作者：张庆展靳永强康志宇肖余之上海航天技术研究院航天运输与维护总体技术研究中心上海201109 上海宇航系统工程研究所上海201109

研究了航天器空间任意方位快速绕飞与监测的相对姿轨耦合控制问题。通过合理绕飞参考系和期望姿态系的定义,将问题转化为绕飞参考系内的相对姿轨跟踪控制。通过设计航天器期望相对位置矢量和求取期望姿态运动规律,建立了符合航天器空间... 详细信息

研究了航天器空间任意方位快速绕飞与监测的相对姿轨耦合控制问题。通过合理绕飞参考系和期望姿态系的定义,将问题转化为绕飞参考系内的相对姿轨跟踪控制。通过设计航天器期望相对位置矢量和求取期望姿态运动规律,建立了符合航天器空间一般物理运动规律的相对运动与姿态指向模型,并给出相应控制律。仿真中以实现与目标轨道异面的快速圆绕飞为例,同时考虑绕飞航天器初始位置不在绕飞面的情况,设计了期望相对位置矢量的运动规律,并加入指数函数引导相对姿轨平滑过渡。考虑相对姿轨控制的强耦合性,绕飞航天器采用冗余推力器配置,并引入伪逆法实现控制指令的动态分配。最后针对示例的数值和可视化仿真验证了算法的正确性。

关键词：航天器快速绕飞监测相对姿轨耦合控制期望相对位置矢量

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航天器快速绕飞姿控脉宽调制研究

飞行器测控学报 2012年第5期31卷 15-19页

作者：张兵王东亚王珂王冠军北京跟踪与通信技术研究所北京100094

针对航天器快速绕飞姿态控制和脉宽调制,提出了脉宽调制指令算法,结合航天器转动惯量、期望状态、控制力矩等进行了姿态控制可行性分析。基于误差四元数的姿态滑模控制,结合不同的控制力矩和脉宽调制档次,采用姿态角误差分析了脉宽调制... 详细信息

针对航天器快速绕飞姿态控制和脉宽调制,提出了脉宽调制指令算法,结合航天器转动惯量、期望状态、控制力矩等进行了姿态控制可行性分析。基于误差四元数的姿态滑模控制,结合不同的控制力矩和脉宽调制档次,采用姿态角误差分析了脉宽调制、控制力矩、姿控精度的关系。通过数值仿真,验证了脉宽调制控制指令的有效性和姿态控制应用的可行性。

关键词：快速绕飞脉宽调制误差四元数滑模控制

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监测小卫星快速绕飞轨道控制研究

监测小卫星快速绕飞轨道控制研究

基于滚动优化和微分Theta-D方法的快速绕飞航天器姿轨协同控制

第二届中国空天安全会议

作者：海啸曾国强国防科技大学航天科学与工程学院

本文针对快速绕飞所需条件和控制方法开展研究。通过对航天器相对运动方程开展分析,首先给出满足快速绕飞条件的动力学模型,通过公式推导,提出在理想条件下绕飞过程中所需控制力和一个周期内的燃料消耗的计算公式;其次设计滑模控制器,... 详细信息

本文针对快速绕飞所需条件和控制方法开展研究。通过对航天器相对运动方程开展分析,首先给出满足快速绕飞条件的动力学模型,通过公式推导,提出在理想条件下绕飞过程中所需控制力和一个周期内的燃料消耗的计算公式;其次设计滑模控制器,并利用Lyapunov稳定性理论证明了切换面和控制律的稳定性;接着利用模糊控制系统对符号项控制量进行逼近,通过柔化控制信号来提高控制精度,节约燃料;最后设计仿真算例,将改进的滑模控制器、传统滑模控制器进行比较,并验证快速绕飞所需控制力公式的正确性。

关键词：快速绕飞滑模控制器模糊控制

来源： cnki会议评论

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cnki会议

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宇航学报 2012年第2期33卷 167-174页

作者：朱志斌李果何英姿魏春岭北京控制工程研究所北京100190 空间智能控制技术国家级重点实验室北京100190

针对近距离快速绕飞的视线保持要求和姿轨耦合特点,研究航天器姿轨协同最优控制方法。建立了六自由度相对运动耦合非线性模型,偏心推力矢量同时提供位置和姿态控制能力;考虑到近距离相对运动对动态性能的高精度要求,不同于无限时域经典T... 详细信息

针对近距离快速绕飞的视线保持要求和姿轨耦合特点,研究航天器姿轨协同最优控制方法。建立了六自由度相对运动耦合非线性模型,偏心推力矢量同时提供位置和姿态控制能力;考虑到近距离相对运动对动态性能的高精度要求,不同于无限时域经典Theta-D方法,提出了一种包含终端状态约束的滚动优化有限时域最优控制快速解算方法,推导了中间过程微分Riccati方程和微分Lyapunov方程的横截条件。控制器设计充分考虑了有限脉冲小推力器和有限力矩输出装置的约束。对近距离快速绕飞的仿真结果说明了方法的有效性,所提方法在保证相对运动稳定和动态性能的前提下控制输出幅值小,具有工程实际意义。

关键词：快速绕飞姿轨协同控制微分Theta-D最优控制器修正罗德里格参数

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在轨服务航天器姿轨一体化控制研究

在轨服务航天器姿轨一体化控制研究

作者：刘昱晗哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着航天任务的日益多样化、复杂化,自主在轨服务凭借其成本低、效率高、灵活性强、隐蔽性好等优势成为未来空间技术发展的必然趋势。空间交会对接技术作为服务航天器近距离操作的基础和前提,以其举足轻重的意义受到广泛关注。传统空间... 详细信息

随着航天任务的日益多样化、复杂化,自主在轨服务凭借其成本低、效率高、灵活性强、隐蔽性好等优势成为未来空间技术发展的必然趋势。空间交会对接技术作为服务航天器近距离操作的基础和前提,以其举足轻重的意义受到广泛关注。传统空间任务中针对合作航天器的交会对接技术目前已逐渐发展完善,而对非合作目标的交会、绕飞和接近跟踪等技术仍处于高速发展阶段,这为在轨服务航天器姿轨一体化技术提出了新要求。本论文立足于实际任务背景,紧密围绕航天器姿轨一体化建模与控制问题,重点研究了服务航天器对目标的姿轨一体化快速绕飞指向和接近跟踪两项关键控制技术。论文主要研究内容包括:针对在轨服务航天器姿轨一体化动力学建模问题,根据不同阶段的任务需求,分别结合四元数和欧拉角,建立了考虑自然耦合、控制输入耦合的视线坐标系下快速绕飞段和最后接近段六自由度动力学模型,并作为后续章节系统分析和控制设计的基础。针对在轨服务航天器对非合作目标的快速绕飞指向控制问题,从视线坐标系下两者相对运动方程入手,详细分析、比较了轨道面内和水平面内圆形快速绕飞的速度增量与绕飞半径、周期和轨道高度的关系;通过合理设计标称绕飞轨迹、解算期望姿态指向,将快速绕飞指向问题转化为对期望状态的跟踪问题,并建立绕飞段误差动力学方程;进而,考虑到系统中存在的复合干扰上界未知且难于估计,为了提高系统的快速性、鲁棒性,提出了一种基于二阶滑模干扰观测器的快速绕飞指向控制算法,并通过有限时间Lyapunov定理分析了闭环系统稳定性。针对在轨服务航天器对非合作目标的接近跟踪控制问题,给出了最后接近段误差动力学方程;考虑到实际系统中存在的状态约束问题,基于界限Lyapunov函数提出了一种全状态约束的最后接近跟踪控制算法,并与传统二次型形式Lyapunov函数方法进行了比较;考虑到控制输入饱和的情况,利用自适应方法估计干扰及饱和差值上界的平方值,设计了输入饱和情况下全状态约束接近跟踪控制算法;又考虑到该方法对饱和差值估计的局限性,进一步基于Anti-windup补偿思想设计了一种改进的饱和情况下全状态约束接近跟踪控制算法。通过数值仿真验证了上述控制算法的有效性。

关键词：在轨服务航天器姿轨一体化快速绕飞最后接近界限Lyapunov函数输入饱和