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组合航天器转动惯量在轨两步辨识标定

中国空间科学技术 2013年第2期33卷 32-40页

作者：刘伟霞熊智郁丰姚小松南京航空航天大学自动化学院南京210016 南京航空航天大学高新技术研究院南京210016

在轨辨识转动惯量参数是主动航天器与非合作空间目标构成组合体后实现高精度姿态控制的重要前提,文章提出了一种两步在轨辨识组合航天器转动惯量参数的方法。第一步以航天器本体坐标系滚动轴转动惯量为基准将转动惯量矩阵归一化,得到特... 详细信息

在轨辨识转动惯量参数是主动航天器与非合作空间目标构成组合体后实现高精度姿态控制的重要前提,文章提出了一种两步在轨辨识组合航天器转动惯量参数的方法。第一步以航天器本体坐标系滚动轴转动惯量为基准将转动惯量矩阵归一化,得到特殊的转动惯量比矩阵,建立与其相关的姿态动力学模型,提出了基于扩展卡尔曼滤波的在轨辨识算法,基于星上陀螺角速率测量信息在100s左右辨识出所有转动惯量比参数,克服了由于模型简单导致转动惯量信息辨识不完整的缺点;第二步基于第一步辨识得到的转动惯量比参数,采用最小二乘算法辨识得到滚动轴转动惯量值,计算量小,消耗能量少。最后给出仿真算例,辨识精度基本在1%之内,验证了方法的有效性。

关键词：组合航天器转动惯量在轨辨识扩展卡尔曼滤波最小二乘

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基于深度学习的组合体航天器模型预测控制

宇航学报 2019年第11期40卷 1322-1331页

作者：康国华金晨迪郭玉洁乔思元南京航空航天大学航天学院

利用模型预测算法先预测控制结果后控制的类人行为特点,借助深度学习在多参数寻优上的优势,提出了一种基于卷积神经网络的模型预测控制算法,满足航天工程低硬件需求,实现组合航天器多场景下姿态控制律的重构。该算法首先利用模型预测控... 详细信息

利用模型预测算法先预测控制结果后控制的类人行为特点,借助深度学习在多参数寻优上的优势,提出了一种基于卷积神经网络的模型预测控制算法,满足航天工程低硬件需求,实现组合航天器多场景下姿态控制律的重构。该算法首先利用模型预测控制将组合航天器从初始状态控制到预期状态,然后将控制过程中状态量用于3层3核卷积神经网络的训练,训练完成后,用该卷积神经网络代替模型预测对组合航天器进行控制,从而降低计算资源需求。仿真校验表明:该算法可预测5个控制周期内的控制参数,相比传统模型预测算法所需硬件计算时间降低约5倍,在一般硬件环境下30 s内即可完成各场景下的组合航天器姿态控制,控制精度在10-4量级。

关键词：深度学习组合航天器模型预测卷积神经网络姿态控制

基于干扰观测器的一类组合航天器高阶全驱抗干扰控制

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航空学报 2024年第1期45卷 66-78页

作者：崔凯鑫段广仁哈尔滨工业大学控制理论与制导技术研究中心哈尔滨150001 南方科技大学控制科学与技术研究中心深圳518055

研究了一类组合航天器的高阶全驱(HOFA)抗干扰控制,其干扰包括具有未知参数的输入端干扰和常值外部干扰。首先,引入一种一般化的离散时间高阶全驱后向差分模型,并对其中的2种干扰分别进行了干扰估计。其次,基于HOFA系统框架,设计了基于... 详细信息

研究了一类组合航天器的高阶全驱(HOFA)抗干扰控制,其干扰包括具有未知参数的输入端干扰和常值外部干扰。首先,引入一种一般化的离散时间高阶全驱后向差分模型,并对其中的2种干扰分别进行了干扰估计。其次,基于HOFA系统框架,设计了基于干扰观测器的复合控制器,不仅可以有效抑制干扰,而且能够得到一个可任意配置特征结构的闭环系统。然后,利用参数化方法,分别建立了观测器增益矩阵和反馈控制矩阵的完全参数化形式。最后,所提方法被应用于一类实际组合航天器模拟器,仿真和试验结果验证了所提方法的有效性。

关键词：组合航天器离散时间高阶全驱后向差分模型干扰观测器抗干扰控制参数化设计

基于全驱系统方法的组合航天器位姿自适应预设性能控制

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航空学报 2024年第1期45卷 120-129页

作者：段广全刘国平哈尔滨工业大学控制理论与制导技术研究中心哈尔滨150001 南方科技大学控制科学与技术研究中心深圳518055

针对非合作航天器被成功捕获后所形成的组合航天器的位姿控制任务,考虑系统中含有的未知扰动的影响,设计了一种基于全驱系统方法的自适应预设性能控制器。根据欧拉姿态动力学方程和轨道动力学方程,建立了简洁的组合航天器位姿动力学方程... 详细信息

针对非合作航天器被成功捕获后所形成的组合航天器的位姿控制任务,考虑系统中含有的未知扰动的影响,设计了一种基于全驱系统方法的自适应预设性能控制器。根据欧拉姿态动力学方程和轨道动力学方程,建立了简洁的组合航天器位姿动力学方程;通过引入预设性能函数,对组合航天器位姿误差的瞬态和稳态性能进行约束;进一步应用全驱系统方法,对带有未知扰动的组合航天器位姿误差系统设计自适应预设性能控制器;此外,通过构造Lyapunov函数证明了所提出的控制器的稳定性;最后,数值仿真结果和半物理仿真实验结果表明,在所设计的控制器作用下,组合航天器能够实现精确的位姿控制,同时系统的状态误差始终收敛于预设性能包络内,验证了所设计控制器的有效性和实用性。

关键词：全驱系统组合航天器自适应控制预设性能位姿控制半物理仿真

基于机械臂运动的组合航天器惯性参数在轨辨识

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西北工业大学学报 2014年第5期32卷 811-816页

作者：王明黄攀峰常海涛台健生西北工业大学航天学院智能机器人研究中心西北工业大学航天飞行动力学技术重点实验室陕西西安710012

随着空间技术发展,交会对接任务越来越多,服务航天器与目标航天器对接形成组合航天器后惯性参数会发生明显变化。因此,提出一种基于机械臂运动的组合航天器惯性参数在轨辨识方法。该方法可以分为2步:第一步辨识组合航天器的质量和质心;... 详细信息

随着空间技术发展,交会对接任务越来越多,服务航天器与目标航天器对接形成组合航天器后惯性参数会发生明显变化。因此,提出一种基于机械臂运动的组合航天器惯性参数在轨辨识方法。该方法可以分为2步:第一步辨识组合航天器的质量和质心;第二步辨识组合航天器的惯性张量。该方法优点是实现了质量、质心与惯性张量等辨识参数的相互解耦,不需要消耗航天器上宝贵的喷气燃料,仅需要测量航天器的速度,而不是加速度和力。仿真结果验证了方法的有效性。

关键词：辨识对接动量组合航天器惯性参数空间机械臂

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多体组合航天器协同姿态控制研究

多体组合航天器协同姿态控制研究

作者：吴佳奇南京航空航天大学

学位级别：硕士

微小卫星功能密度高、设计周期短、研发成本低,构成多体组合航天器协同执行任务可实现比传统大卫星更广泛的功能,被广泛应用于空间领域。多体组合航天器的功能需要个体间协同工作才能实现,因此协同控制的性能是影响多体组合航天器应用... 详细信息

微小卫星功能密度高、设计周期短、研发成本低,构成多体组合航天器协同执行任务可实现比传统大卫星更广泛的功能,被广泛应用于空间领域。多体组合航天器的功能需要个体间协同工作才能实现,因此协同控制的性能是影响多体组合航天器应用的关键。在大规模的多体组合航天器系统中,协同控制的智能性、自主性、自适应性和鲁棒性是直接影响整体系统能否稳定高效地完成预定空间任务的关键指标。系统规模的扩大直接导致结构复杂度相应增加,同时给整个系统引入了更多约束条件,也对多体组合航天器的协同构型保持和快速姿态复稳提出了更高的要求。针对此问题,本文主要完成了如下研究工作:首先建立了多体组合航天器的内力作用模型。针对多体组合航天器约束冗余的特点,参考结构力学动静法与刚度矩阵法,将动力学问题转化为静力学问题,建立组合体姿态、个体间内力及控制力矩间的关系。对树形结构和网状结构分别建模,并利用ADAMS软件对模型结果进行对比分析,验证模型的准确性。其次提出了多体组合航天器智能协同姿态控制算法。多体组合航天器机动过程中单体卫星承受的控制力是不均匀的,局部控制力过大将导致组合体连接断裂而失效。为解决此问题,本文利用上述内力模型,结合粒子群优化算法对控制合力矩进行优化分配,并通过预设方案与继承迭代加快粒子群算法的收敛速度,实时调整各星控制力矩分配比例,减小星间相互作用力,实现多体组合航天器的智能协同控制,保证组合航天器的连接铰不因受力过大而损坏。仿真表明,智能协同姿态控制算法可显著降低姿控过程中的星间作用力,确保组合航天器安全。最后完成了多体组合航天器故障状态下的自适应协同控制研究。组合航天器在轨运行时可能出现突发局部故障,导致组合航天器惯量和角动量发生突变,两种扰动同时引入对组合航天器的姿控系统提出了双重考验。本文提出了一种基于惯量识别的自适应控制算法,通过对惯量的实时估计,减弱惯量突变带来的负面影响。同时利用二次规划法,将控制力矩分配到各单体卫星上,实现能量最优下的多体组合航天器的自适应协同控制。自适应控制算法的稳定性通过李雅普诺夫稳定性理论得到证明,数值仿真验证了自适应算法的鲁棒性及分配律的准确性。通过上述三项研究,本课题基本建立了多体组合航天器的内力模型、提出了内力优化的智能协同控制策略及局部故障组合体的自适应协同控制方案。通过ADMAS和MATLAB软件对上述方法进行了仿真验证,建立了较为完整的多体组合航天器的协同控制体系,为微纳卫星自组织系统的工程化实践提供了一条思路。

关键词：组合航天器协同姿态控制自适应控制粒子群算法刚度矩阵法

基于推力器的组合航天器质量特性辨识方法研究

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航天控制 2015年第1期33卷 54-60页

作者：侯振东王兆魁张育林哈尔滨工业大学卫星技术研究所哈尔滨150080 清华大学航天航空学院北京100084

组合航天器的质量特性辨识对提高其姿态轨道控制的精度和快速性有至关重要的作用。对基于推力器的总质量、质心位置和惯量矩阵的在轨辨识进行了研究。基于推力作用下的平动方程可得到质心位置和总质量的耦合辨识方程,基于转动方程可得... 详细信息

组合航天器的质量特性辨识对提高其姿态轨道控制的精度和快速性有至关重要的作用。对基于推力器的总质量、质心位置和惯量矩阵的在轨辨识进行了研究。基于推力作用下的平动方程可得到质心位置和总质量的耦合辨识方程,基于转动方程可得到转动惯量和质心位置的耦合辨识方程,通过对角速度和线加速度进行多次采样,利用最小二乘法求解这2类辨识方程可完成总质量、质心位置和惯量矩阵的在轨辨识。基于上述辨识原理,提出一种闭环稳定的解耦质量特性辨识方法,通过设计合适的推力器工作策略,实现总质量、质心位置和惯量矩阵的解耦辨识,并采用一种不依赖于转动惯量的控制算法,使组合航天器的姿态在辨识结束后恢复到稳定状态。仿真表明,采用闭环稳定的解耦质量特性辨识方法,可保证组合航天器在推力器激励后的姿态稳定性。在仿真采用的动力学干扰、推力器误差和敏感器误差下,总质量、质心位置和惯量矩阵的辨识精度可达到10-3量级。

关键词：组合航天器推力器激励最小二乘解耦质量特性辨识闭环稳定

基于深度学习的航天器组合体惯性参数在轨智能辨识

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中国空间科学技术 2019年第2期39卷 1-12页

作者：金晨迪康国华郭玉洁乔思元南京航空航天大学航天学院微小卫星研究中心南京210016

针对在轨服务过程形成新组合体的动力学参数未知的问题,借助深度学习在多参数寻优上的优势,提出了一种基于卷积神经网络的智能参数辨识算法,实现在外力作用下,线动量和角动量不守恒条件下的航天器组合体多参数辨识。利用卷积神经网络权... 详细信息

针对在轨服务过程形成新组合体的动力学参数未知的问题,借助深度学习在多参数寻优上的优势,提出了一种基于卷积神经网络的智能参数辨识算法,实现在外力作用下,线动量和角动量不守恒条件下的航天器组合体多参数辨识。利用卷积神经网络权值共享的特点,设计4层卷积神经网络,通过短时间内对大量特定存储形式的状态数据的训练,实现航天器组合体多参数快速高精度辨识。利用数学仿真试验对算法的可行性进行验证,结果表明:在24 s内,质量与质心位置收敛;1 190 s内,惯量参数收敛,辨识精度在3%以内。说明所提方法在外界随机干扰力和力矩影响下能准确快速辨识出航天器组合体质量、质心位置和惯量矩阵。

关键词：深度学习组合航天器惯性参数在轨辨识卷积神经网络

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空间目标在轨捕获方法及关键技术综述

空天技术 2022年第6期2022卷 77-96页

作者：满万鑫李新洪周思引王训张治彬航天工程大学

空间活动的日益加剧，使得空间在轨组装、在轨服务得到了大力发展。同时，空间碎片也成为了执行空间任务的一个巨大威胁。围绕以上领域涉及的共同关键技术——空间在轨捕获，提出了一种新的空间目标捕获分类形式。根据空间目标捕获装置... 详细信息

空间活动的日益加剧，使得空间在轨组装、在轨服务得到了大力发展。同时，空间碎片也成为了执行空间任务的一个巨大威胁。围绕以上领域涉及的共同关键技术——空间在轨捕获，提出了一种新的空间目标捕获分类形式。根据空间目标捕获装置末端执行机构的设计特点，将目标捕获方式总结归纳为插入式、抓取式、包络式（覆盖式）、吸附式和混合式。分别详述了每种方法的捕获原理、优缺点和发展趋势，并对涉及到的相关国内外研究项目进行了介绍。对捕获过程中的接触动力学特性、空间目标状态估计与参数辨识、目标消旋技术以及组合航天器动力学控制这四个关键技术内容进行了介绍，并就未来在轨捕获发展趋势给出了相关建议。

关键词：在轨捕获空间碎片组合航天器接触动力学消旋捕获后控制