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半解析卫星轨道不确定性快速估计方法

宇航学报 2024年第3期45卷 399-408页

作者：于彦君岳程斐李化义陈雪芹刘培哈尔滨工业大学卫星技术研究所哈尔滨150001 哈尔滨工业大学(深圳)空间科学与应用技术研究院深圳518055 上海卫星工程研究所上海710119

基于半解析法和球形单边采样无迹变换提出一种轨道不确定性快速估计方法。首先在考虑J2摄动和大气阻力摄动的基础上,构建轨道要素解析模型用于瞬时轨道要素快速估计。随后基于该轨道要素快速估计方法,结合球形单边采样无迹变换传播初始... 详细信息

基于半解析法和球形单边采样无迹变换提出一种轨道不确定性快速估计方法。首先在考虑J2摄动和大气阻力摄动的基础上,构建轨道要素解析模型用于瞬时轨道要素快速估计。随后基于该轨道要素快速估计方法,结合球形单边采样无迹变换传播初始轨道不确定性,依据高斯摄动方程和球形单边采样点的特性对传播后的采样点进行修正,估计传播后的轨道不确定性。最后将提出的半解析法与高斯和模型相结合,以提高精度。数值仿真分析了所提出的轨道不确定性估计方法相较无迹变换法的计算效率提升程度,并依据似然一致性度量将所提出的方法与蒙特卡洛法、无迹变换法等进行了精度比较。结果表明,所提方法的计算效率相较于传统无迹变换法有较大提升,且具有合适的精度。

关键词：轨道预报不确定性传播轨道要素球形单边采样无迹变换高斯和模型

应用变速控制力矩陀螺的航天器姿态自适应控制

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哈尔滨工业大学学报 2024年第4期56卷 1-11页

作者：林子杰陆国平吕旺吴宝林李化义哈尔滨工业大学卫星技术研究所哈尔滨150001 上海卫星工程研究所上海201109

为提高敏捷挠性航天器在轨连续机动的快速性和高稳定性,应用变速控制力矩陀螺(variable speed control moment gyroscopes,VSCMGs)作为姿态控制执行机构,提出了一种将观测器与自适应控制结合的姿态控制律与VSCMGs复合操纵律。考虑到机... 详细信息

为提高敏捷挠性航天器在轨连续机动的快速性和高稳定性,应用变速控制力矩陀螺(variable speed control moment gyroscopes,VSCMGs)作为姿态控制执行机构,提出了一种将观测器与自适应控制结合的姿态控制律与VSCMGs复合操纵律。考虑到机动过程中挠性模态及精确惯量不可知,采用模态观测器和转动惯量估计器对不可测的状态或参数进行辨识,辨识结果用于精确估计前馈补偿力矩,利用Lyapunov分析方法证明了闭环控制系统的稳定性。鉴于VSCMGs实际使用的力矩分配能力、避奇异能力、轮速平衡能力与末态框架角定位能力,分别设计了加权伪逆操纵律与3种对应的零运动。基于雅可比矩阵条件数提出了末态框架角的优选方法,给出了VSCMGs零运动在机动过程不同阶段的部署方案。结果表明:通过连续姿态机动数值仿真验证了所提算法的有效性;VSCMGs在连续机动过程中平滑切换模式,在不同的机动阶段实现了相应功能。模态观测值和惯量估计值在多次机动后收敛至真值附近,经过参数辨识后的控制器使航天器在机动末端更快更稳地达到指向精度要求。

关键词：变速控制力矩陀螺姿态机动挠性航天器自适应控制模态观测

复杂约束下航天器高效机动路径规划和时域调节方法

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国防科技大学学报 2024年第4期46卷 63-73页

作者：岳程斐鲁明吴凡霍涛陈雪芹哈尔滨工业大学卫星技术研究所黑龙江哈尔滨150001 哈尔滨工业大学(深圳)空间科学与应用技术研究院广东深圳518000

针对复杂约束下航天器大角度姿态机动问题,提出一种基于三维特殊正交群的姿态高效机动路径规划和时域调节方法。针对航天器大角度机动过程中的姿态约束问题,设计了基于梯度的避障策略,得到了虚拟时域中的姿态路径和期望角速度。为了满... 详细信息

针对复杂约束下航天器大角度姿态机动问题,提出一种基于三维特殊正交群的姿态高效机动路径规划和时域调节方法。针对航天器大角度机动过程中的姿态约束问题,设计了基于梯度的避障策略,得到了虚拟时域中的姿态路径和期望角速度。为了满足执行机构最大输出力矩约束,提出了迭代非线性时域调节方法,通过时间缩放得到了满足控制力矩约束的高效机动角速度/控制力矩。仿真结果表明,该方法在满足航天器姿态机动过程中姿态约束和控制力矩约束的同时,相较现有同类方法,显著缩短了机动时间,为受约束的航天器高效机动规划与控制提供了新的思路。

关键词：姿态规划时域调节姿态约束控制力矩约束三维特殊正交群

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数字孪生机翼损伤模式快速识别与监测方法

航空动力学报 2024年第6期39卷 107-115页

作者：王子一粟华龚春林蔡艳芳丁轩鹤杨予成西北工业大学航天学院西安710072 西北工业大学空天飞行技术研究所西安710072 西安现代控制研究所西安710065

针对飞行器结构健康监测过程中存在的识别流程复杂、实时性较差问题,提出一种基于数字孪生技术的飞行器机翼损伤模式识别与监测方法。采用模块化技术构建飞行器机翼的数字孪生结构模型,基于概率神经网络建立了传感器数据在结构数字孪生... 详细信息

针对飞行器结构健康监测过程中存在的识别流程复杂、实时性较差问题,提出一种基于数字孪生技术的飞行器机翼损伤模式识别与监测方法。采用模块化技术构建飞行器机翼的数字孪生结构模型,基于概率神经网络建立了传感器数据在结构数字孪生模型中的映射方法,形成了通用的数字孪生飞行器结构损伤模式快速识别流程。以某无人机为例,基于此流程方法建立了其机翼的损伤模式快速识别模型并开展了对损伤的识别。结果表明:构建的飞行器结构数字孪生识别模型对损伤模式的识别准确率达到了96%以上,能够实现动态航迹规划任务。

关键词：结构健康监测数字孪生损伤模式模式识别概率神经网络

基于l_(1)-TSXKF的航天器姿控系统状态偏差估计

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航空学报 2024年第16期45卷 153-164页

作者：陈雪芹杨伯毓吴凡岳程斐曹喜滨哈尔滨工业大学卫星技术研究所哈尔滨150001 哈尔滨工业大学(深圳)空间科学与应用技术研究院深圳518055

研究考虑非高斯噪声特性的航天器姿态控制系统状态与偏差估计问题。首先,建立含偏差的航天器姿控系统模型,并给出了非高斯特性噪声表达形式。然后,采用l_(1)范数卡尔曼滤波(l_(1)-KF)算法并结合数学仿真,验证了在卡尔曼滤波算法中引入l_... 详细信息

研究考虑非高斯噪声特性的航天器姿态控制系统状态与偏差估计问题。首先,建立含偏差的航天器姿控系统模型,并给出了非高斯特性噪声表达形式。然后,采用l_(1)范数卡尔曼滤波(l_(1)-KF)算法并结合数学仿真,验证了在卡尔曼滤波算法中引入l_(1)范数,可以避免系统受非高斯过程噪声的影响,但l_(1)-KF算法无法实现对状态和偏差的同时估计,且仅适用于姿态稳定控制过程中的估计。于是,在l_(1)-KF算法的基础上,考虑系统转动惯量时变和偏差时变的复杂情况,结合时变转动惯量实时辨识,设计l_(1)范数二阶外源性卡尔曼滤波(l_(1)-TSXKF)算法,对航天器姿态机动过程中的状态和偏差同时进行估计。数学仿真结果表明,l_(1)-TSXKF算法可以减少系统非高斯特性的影响,在航天器姿态机动过程中,可快速得到高精度的姿态、未知偏差估计结果,有利于航天器在轨应用。

关键词：航天器姿控系统偏差估计状态估计转动惯量辨识

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双机器人协作轴孔装配力柔顺控制技术研究

机械工程学报 2024年第3期60卷 20-33页

作者：王战玺张益铭张邦海罗子彦史梦格西北工业大学机电学院西安710072 南京电子技术研究所南京210012

轴孔精密装配是加工制造业中常见的装配形式,其完成过程同时存在位置约束和力约束关系,因此采用工业机器人实现轴孔自动装配一直是具有挑战性的热点问题。首先分析了轴孔装配过程插孔阶段的典型的单点接触和双点接触受力模型,并针对不... 详细信息

轴孔精密装配是加工制造业中常见的装配形式,其完成过程同时存在位置约束和力约束关系,因此采用工业机器人实现轴孔自动装配一直是具有挑战性的热点问题。首先分析了轴孔装配过程插孔阶段的典型的单点接触和双点接触受力模型,并针对不同的接触状态提出了机器人整体力调控策略;其次在基于位置的阻抗模型基础上,建立对环境位置和刚度具有自适应效果的力柔顺控制模型,通过仿真验证了控制模型可以消除力跟踪过程的系统稳态误差;然后建立了主从式双机器人协作轴孔装配模型,并进行轴孔装配仿真实验,在不同的机器人位置和姿态误差下验证双机器人协作装配的力位控制效果;最后搭建主从式双机器人装配实验平台,验证自适应力柔顺控制模型和主从式协作模型的可行性。

关键词：轴孔装配力柔顺控制阻抗控制主从式协作

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面向机动目标的分布式弹群在线协同定位方法

北京航空航天大学学报 2024年第3期50卷 1027-1036页

作者：傅晋博张栋赵军民王庭晖西北工业大学航天学院西安710072 西安现代控制技术研究所西安710065

机动目标的高精度协同定位是协同打击的关键,通过分布式弹群来实现协同定位是目前研究的热点。提出了一种分布式弹群在线协同定位的策略,解决弹群通信受限条件下协同定位的实时性问题;针对目标状态估计中模型非线性、噪声非高斯分布等特... 详细信息

机动目标的高精度协同定位是协同打击的关键,通过分布式弹群来实现协同定位是目前研究的热点。提出了一种分布式弹群在线协同定位的策略,解决弹群通信受限条件下协同定位的实时性问题;针对目标状态估计中模型非线性、噪声非高斯分布等特点,提出了容积卡尔曼粒子滤波算法;设计了自适应转弯速率的匀速转弯模型,并将现有的二维匀速转弯模型扩展至三维,解决了现有匀速转弯模型先验转弯速率固定,导致定位精度不高的问题;设计了自适应模型转移概率的交互多模型方法,实时修正马尔可夫转移概率,解决了单模型滤波定位精度不高的问题。通过仿真验证了所提策略和方法的有效性和准确性。

关键词：弹群协同定位协同目标跟踪交互式多模型容积卡尔曼滤波粒子滤波

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地月三体系统新型太阳帆周期轨道设计与分析

航空学报 2024年

作者：安诗宇刘明李化义吴凡哈尔滨工业大学卫星技术研究所

地月三体系统中的周期轨道在深空探测中具有重要的理论价值和工程意义。太阳帆航天器不需要消耗推进剂，在长期的空间任务中具有很大的潜力。在地月三体系统中增加太阳帆推进，将在地月系统中开辟更多有应用价值的轨道。本文在太阳帆地... 详细信息

地月三体系统中的周期轨道在深空探测中具有重要的理论价值和工程意义。太阳帆航天器不需要消耗推进剂，在长期的空间任务中具有很大的潜力。在地月三体系统中增加太阳帆推进，将在地月系统中开辟更多有应用价值的轨道。本文在太阳帆地月圆型限制性三体问题的简化非自治动力学模型下，引入了一种新的太阳帆指向律，使得太阳帆加速度与帆的状态向量相关，在此条件下，推导了系统的雅可比矩阵。将该指向律应用到近直线Halo轨道中，结合改进的微分修正法和太阳帆加速度延拓寻找新的轨道族。数值仿真验证了该指向律和该数值计算方法在非自治系统周期轨道设计中的有效性。分析表明，建立的新型太阳帆周期轨道族可用于月球照明和月球高纬度地区观测。最后，将周期轨道迁移到非共面双椭圆扰动模型中，通过二级微分修正方法得到了扰动下的拟周期轨道，分析表明其照明性能和覆盖性能可以保持。进一步计算了不同初始时刻对应的拟周期轨道，分析表明当地月质心和月球越接近其轨道的近心点时，扰动因素对轨道的影响越大。

关键词：地月系统限制性三体问题太阳帆周期轨道扰动模型

利用离散时间聚合图的无人机编队最短时延路由协议

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电子与信息学报 2024年第5期46卷 1931-1939页

作者：李博王改芳杨洪娟茹雪菲张敬淳王钢哈尔滨工业大学(威海)信息科学与工程学院威海264209 哈尔滨工业大学通信技术研究所哈尔滨150001

针对传统的无人机编队路由算法无法有效利用拓扑变化的可提前预知特性、以发送探测包的方式获取链路的连接情况会导致开销大等问题,该文引入时变图模型,提出了基于离散时间聚合图的无人机编队最短时延路由协议。首先,利用无人机编队网... 详细信息

针对传统的无人机编队路由算法无法有效利用拓扑变化的可提前预知特性、以发送探测包的方式获取链路的连接情况会导致开销大等问题,该文引入时变图模型,提出了基于离散时间聚合图的无人机编队最短时延路由协议。首先,利用无人机编队网络的先验知识,如节点的运动轨迹以及网络拓扑变化情况,使用离散时间聚合图对网络的链路资源和拓扑进行表征。其次,基于该图模型设计路由决策算法,即在路由探索阶段将链路时延作为链路权重求解网络的源节点到目的节点的最短时延路由。最后,性能仿真结果表明,该路由协议与传统按需距离矢量路由协议相比提高了网络的分组投递率、降低了端到端时延和网络的控制开销。

关键词：无人机自组网无人机编队时变图模型最短时延路由