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航天器交会对接的模型预测与反演制导控制

控制与决策 2019年第4期34卷 793-798页

作者：谭天乐上海航天控制技术研究所上海201109 上海市空间智能控制技术重点实验室上海201109

面向空间交会对接和停靠的任务需求,将航天器相对制导控制系统视为离散时间控制系统.利用系统状态转移模型外推预测相对运动状态偏差,在每个控制周期中推力恒定的假设下,根据轨控作用对系统状态的影响规律,采用广义逆方法反演得到交会... 详细信息

面向空间交会对接和停靠的任务需求,将航天器相对制导控制系统视为离散时间控制系统.利用系统状态转移模型外推预测相对运动状态偏差,在每个控制周期中推力恒定的假设下,根据轨控作用对系统状态的影响规律,采用广义逆方法反演得到交会对接制导控制序列.对时间约束下的基于空间相对运动状态转移预测与反演的相对制导控制律进行设计,讨论该方法在实际应用中的一些特点.预测与反演制导控制中的控制输出直接表示为轨控加速度,更符合工程实际情况.近圆轨道的交会对接仿真结果表明,所提出的方法能够实现精度更高、更为柔顺平滑的交会对接,在轨控速度增量和推力器输出上也具有更好的工程适用性.

关键词：交会对接状态转移模型预测与反演控制多脉冲制导离散时间控制系统航天器

针对UNGM模型的特性分析与滤波算法设计研究

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西北工业大学学报 2023年第2期41卷 293-302页

作者：卢山张世源上海航天控制技术研究所上海201109 上海市空间智能控制技术重点实验室上海201109

单变量非平稳增长模型(UNGM)与无迹卡尔曼滤波器(UKF)在非线性滤波器的比较分析中被广泛使用。但由于UNGM复杂的特性,在使用UKF进行滤波时会出现基于不同原因的估计失准问题,使得滤波器对比分析的严谨性不足。针对这些问题,对UNGM的复... 详细信息

单变量非平稳增长模型(UNGM)与无迹卡尔曼滤波器(UKF)在非线性滤波器的比较分析中被广泛使用。但由于UNGM复杂的特性,在使用UKF进行滤波时会出现基于不同原因的估计失准问题,使得滤波器对比分析的严谨性不足。针对这些问题,对UNGM的复杂特性进行了研究,并提出一种具有滑动采样模块的UKF(SSUKF)。该算法在UKF的基础上进行了优化,对滤波信息进行采样分析并实时修正Sigma点的分布,能够有效应对UNGM的复杂特性。将SSUKF应用到不同参数条件下的UNGM中,并与UKF、自举粒子滤波器(BPF)进行比较。仿真结果表明,SSUKF能够有效解决UKF应用于UNGM时的失准问题,并且计算速度优于BPF。相较UKF,SSUKF更适合作为利用UNGM对非线性滤波器性能进行评估时的基准滤波器。

关键词：单变量非平稳增长模型(UNGM) 双峰分布无迹卡尔曼滤波(UKF) 非线性滤波

含间隙铰接的柔性航天器刚柔耦合动力学与控制研究

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力学学报 2020年第6期52卷 1569-1580页

作者：孙杰孙俊刘付成朱东方黄静上海航天控制技术研究所上海201109 上海市空间智能控制技术重点实验室上海201109

大型柔性航天器展开锁定后,运动副中仍存在大量无法消除的间隙.铰链间隙直接影响柔性航天器的姿态运动和有效载荷的指向精度及稳定度,会对航天器的动力学特性造成较大的影响.针对这一问题,提出一种含间隙铰接的航天器刚柔耦合动力学建... 详细信息

大型柔性航天器展开锁定后,运动副中仍存在大量无法消除的间隙.铰链间隙直接影响柔性航天器的姿态运动和有效载荷的指向精度及稳定度,会对航天器的动力学特性造成较大的影响.针对这一问题,提出一种含间隙铰接的航天器刚柔耦合动力学建模与控制方法.首先建立含间隙的铰链精确动力学模型,从而构建含间隙铰接的柔性结构动力学模型.然后利用哈密顿原理和模态离散方法,建立含间隙铰接柔性航天器离散形式的刚柔耦合非线性动力学模型,采用Newmark算法对非线性动力学方程进行求解.基于压电纤维复合材料(macro fiber composite,MFC)驱动器构建航天器的刚-柔-电耦合动力学方程,采用最优控制设计控制律.分析了铰链参数、中心刚体转动惯量、间隙尺寸和间隙数目对航天器动力学特性的影响,着重研究了铰链间隙对航天器姿态运动和结构振动的影响作用.最后采用MFC驱动器对航天器施加主动控制.结果表明,铰链参数和中心刚体转动惯量影响航天器的固有频率;随着铰链间隙尺寸的增大及间隙数目的增多,航天器的整体刚度逐渐减小,而航天器的姿态角和振动位移响应不断增大;通过基于MFC的主动控制,能够实现含间隙铰接航天器姿态运动与结构振动的协同控制,并缓解间隙对系统动态特性造成的影响.

关键词：柔性航天器铰链间隙刚柔耦合压电纤维复合材料振动控制

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神经网络类机理建模下的持续自学习控制

控制理论与应用 2024年第5期41卷 885-894页

作者：谭天乐张万超何永宁周恒杰上海航天控制技术研究所上海201109 上海市空间智能控制技术重点实验室上海201109

针对未知、时变复杂动力学系统在基于模型的控制中的动态建模问题,本文采用前向全连接神经网络对动力学系统进行数据驱动下的非机理拟合建模.通过动态线性化和归一化/反归一化数据处理,基于前向传播算法,将神经网络的网络拓扑计算过程... 详细信息

针对未知、时变复杂动力学系统在基于模型的控制中的动态建模问题,本文采用前向全连接神经网络对动力学系统进行数据驱动下的非机理拟合建模.通过动态线性化和归一化/反归一化数据处理,基于前向传播算法,将神经网络的网络拓扑计算过程转化成动力学系统机理模型的同构等价表达形式.与基于模型的预测与反演控制相结合,提出了神经网络类机理建模下的持续自学习控制方法,探索了神经网络在动力学系统建模与控制中的可解释性问题.以机械臂为控制对象的仿真结果表明,神经网络类机理模型与机理模型在形式上同构,在参数上近似或等价,可用于控制系统控制品质的定性、定量分析.持续自学习控制对非线性未知、时变复杂系统具有较好的动态适应能力.

关键词：黑箱系统时变系统非机理建模神经网络建模同构等价表达模型预测与反演控制持续自学习控制机械臂控制

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异构多星电磁编队静态构型设计与保持控制

宇航学报 2024年第3期45卷 376-388页

作者：蔡曜杨盛庆吴敬玉上海航天控制技术研究所上海201109 上海市空间智能控制技术重点实验室上海201109

针对异构多星电磁编队的空间静态构型设计,提出采用精确电磁力模型进行非线性修正的方法,解决了传统方法中由远场电磁力模型造成的构型求解误差问题。考虑编队静态构型设计存在待优化参数较多的问题,基于轨道相对运动方程与电磁力内力特... 详细信息

针对异构多星电磁编队的空间静态构型设计,提出采用精确电磁力模型进行非线性修正的方法,解决了传统方法中由远场电磁力模型造成的构型求解误差问题。考虑编队静态构型设计存在待优化参数较多的问题,基于轨道相对运动方程与电磁力内力特性,可以推导一组关于编队各星质量与空间分布的静态构型必要条件,提出了一种参数降维的四面体构型设计方法,并基于所建精确电磁力模型,对静态构型解进行了非线性修正。针对编队闭环控制问题,设计了包含摄动前馈的滑模控制器,并使用精确电磁力模型修正磁矩,提高了磁矩分配的准确性。仿真结果表明,设计的四面体构型能够满足力和力矩平衡方程,基于精确电磁力模型的修正方法有效提升了构型设计与控制精度。

关键词：卫星编队异构电磁编队四面体构型静态构型设计精确电磁力

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空间碎片绳网捕获拖曳恒张力控制

宇航学报 2020年第7期41卷 970-977页

作者：卢山姜泽华刘禹上海航天控制技术研究所上海闵行区201109 上海市空间智能控制技术重点实验室上海201109

针对空间绳网系统捕获空间碎片后,在轨道转移过程中的精确控制问题,提出一种使用常值拉力将空间碎片拖曳至坟墓轨道的方法。首先,采用牛顿欧拉法建立绳系组合体动力学模型;其次,通过李雅普诺夫方法证明仅使用恒张力即可实现拖曳过程的... 详细信息

针对空间绳网系统捕获空间碎片后,在轨道转移过程中的精确控制问题,提出一种使用常值拉力将空间碎片拖曳至坟墓轨道的方法。首先,采用牛顿欧拉法建立绳系组合体动力学模型;其次,通过李雅普诺夫方法证明仅使用恒张力即可实现拖曳过程的稳定控制;再次,提出采用常值拉力切换控制律抑制空间碎片的姿态章动,采用基于相平面控制原理的控制律抑制绳系组合体面内面外摆动,规避在轨道转移过程中系绳松弛造成缠绕、系绳张力过大造成断裂或两星接近发生碰撞等风险。最后,通过拖曳离轨全过程仿真分析,校验了所提出控制方法的有效性。

关键词：空间碎片绳系系统牛顿欧拉法常值拉力相平面原理

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平滑变结构滤波在航天器组合导航中的应用

中国惯性技术学报 2017年第4期25卷 478-482页

作者：施常勇张丽敏上海航天控制技术研究所上海201109 上海市空间智能控制技术重点实验室上海201109

针对系统模型不准确或噪声无法建模等导致的组合导航精度下降问题,在闭环间接滤波方案中引入一种基于变结构和滑模控制概念的平滑变结构滤波器(SVSF),该滤波器对于建模的不确定性和给定上限但无法建模的扰动噪声具有较好的稳定性和鲁棒... 详细信息

针对系统模型不准确或噪声无法建模等导致的组合导航精度下降问题,在闭环间接滤波方案中引入一种基于变结构和滑模控制概念的平滑变结构滤波器(SVSF),该滤波器对于建模的不确定性和给定上限但无法建模的扰动噪声具有较好的稳定性和鲁棒性。将提出的方案应用于航天器SINS/GNSS组合导航系统中,进行仿真验证,并与EKF滤波器进行比较。仿真结果表明:SVSF尽管不是"最优"滤波器,但其精度与EKF相当,可实现位置精度优于10 m,速度精度优于0.01 m/s;在模型误差与测量误差增大和系统突变等情况下,其较EKF更加具有抗干扰能力,可提高导航系统的鲁棒性和稳定性。

关键词：平滑变结构滤波器组合导航鲁棒性航天器

基于天基平台跟踪观测轨道机动航天器在轨绝对导航技术

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中国惯性技术学报 2013年第3期21卷 354-358页

作者：陈少华韩飞吴蕊贺亮杨文博上海航天控制技术研究所上海200233 上海市空间智能控制技术重点实验室上海200233

针对传统天文导航方法和GNSS导航方法应用于中高轨道航天器尤其是大椭圆轨道机动航天器自主导航的缺陷,提出一种基于低轨道天基平台实时跟踪观测的轨道机动航天器在轨绝对导航方法。其具体实施过程为布置于低轨道的天基平台利用其自带... 详细信息

针对传统天文导航方法和GNSS导航方法应用于中高轨道航天器尤其是大椭圆轨道机动航天器自主导航的缺陷,提出一种基于低轨道天基平台实时跟踪观测的轨道机动航天器在轨绝对导航方法。其具体实施过程为布置于低轨道的天基平台利用其自带观测敏感器对轨道机动航天器进行全程实时跟踪测量,并将测量所得的星光角距信息和测距信息发送至轨道机动航天器,航天器根据接收得的量测信息结合自身状态预估信息通过最优滤波估计算法实现导航解算。仿真结果表明该方案具备较强的可行性,且该导航系统具有较高的导航估计精度,能够弥补传统天文导航和GNSS导航方法的不足之处,当天基平台自主定轨精度为80 m时轨道机动航天器导航位置估计误差在120 m以内。

关键词：天基平台在轨绝对导航跟踪观测星光角距最优滤波

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一种SGCMG系统奇异逃离方法

宇航学报 2016年第8期37卷 1001-1005页

作者：刘德庆吴敬玉操宏磊上海航天控制技术研究所上海201109 上海市空间智能控制技术重点实验室上海201109

单框架控制力矩陀螺(SGCMG)系统进入奇异后无法提供准确的三轴指令力矩,通过奇异机理分析,设计了一种奇异逃离方案。首先构造新的动态坐标系,在系统进入奇异后,将控制坐标系切换到新的坐标系下,在新的坐标系上放弃一个维度的控制,将系... 详细信息

单框架控制力矩陀螺(SGCMG)系统进入奇异后无法提供准确的三轴指令力矩,通过奇异机理分析,设计了一种奇异逃离方案。首先构造新的动态坐标系,在系统进入奇异后,将控制坐标系切换到新的坐标系下,在新的坐标系上放弃一个维度的控制,将系统考虑为平面内的SGCMG冗余控制系统,然后在平面内采用二维零运动使得系统快速逃离奇异状态,当SGCMG系统逃离奇异状态后,再重新接入三维度的控制。仿真结果表明,提出的方法具有很好的奇异逃避效果。

关键词：航天器单框架控制力矩陀螺(SGCMG) 姿态控制奇异逃离