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基于PLS-SEM的航天器控制系统能力建模方法

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中国空间科学技术（中英文） 2024年第2期44卷 98-108页

作者：黄元魏春岭严晗郝仁剑北京控制工程研究所空间智能控制技术国家级重点实验室北京100190

为提升航天任务完成品质,航天器需根据任务及环境针对性调整自身能力,而对航天器控制系统高层次能力的定量刻画,即系统能力建模是实现上述调整的重要理论依据。针对一类航天器姿态控制系统,提出一种基于偏最小二乘-结构方程模型(partial... 详细信息

为提升航天任务完成品质,航天器需根据任务及环境针对性调整自身能力,而对航天器控制系统高层次能力的定量刻画,即系统能力建模是实现上述调整的重要理论依据。针对一类航天器姿态控制系统,提出一种基于偏最小二乘-结构方程模型(partial least square structural equation model,PLS-SEM)的航天器控制系统能力建模方法,实现对包括控制能力、观测能力等抽象能力的定量描述。首先,根据航天器闭环控制系统的结构要素,综合设计能力建模所需的指标类型,生成建模数据样本。在此基础上,设计并构建SEM框架下的能力变量体系,进而通过PLS算法完成模型路径、载荷、权重等关键参数的确定,并对所得PLS-SEM能力模型的结构方程与测量方程的有效性、可信性等分别进行评估。最终,根据航天器PLS-SEM能力模型对控制系统的各抽象能力进行定量描述与分析,验证本文所提出建模方法的可行性。

关键词：结构方程模型偏最小二乘方法航天器控制系统能力模型因子分析

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多约束月面盘旋飞跃轨迹优化控制方法

深空探测学报（中英文） 2024年第1期11卷 16-23页

作者：陈上上关轶峰黄翔宇北京控制工程研究所北京100094 空间智能控制技术国家重点实验室北京100094

针对无平移发动机月球探测器的多约束盘旋飞跃问题,给出了燃耗最优轨迹。盘旋飞跃划分为垂直上升段、平移段、垂直下降段,垂直上升段与垂直下降段的最优控制均为Bang-Bang形式。研究平移段最优轨迹时,考虑位置、速度、角速度等约束,首... 详细信息

针对无平移发动机月球探测器的多约束盘旋飞跃问题,给出了燃耗最优轨迹。盘旋飞跃划分为垂直上升段、平移段、垂直下降段,垂直上升段与垂直下降段的最优控制均为Bang-Bang形式。研究平移段最优轨迹时,考虑位置、速度、角速度等约束,首次把优化问题的控制变量由推力转化为角速度,然后基于Pontryagin极小值原理得到了最优角速度的初步形式,接着通过对奇异点连续性、控制变量切换次数的研究,得到最优角速度的最终形式由最大边值与最小边值组成且发生两次切换,最后提供了一种求解切换点的数值方法。仿真结果表明,该算法精度高、复杂度低,适用于在线轨迹优化。

关键词：多约束盘旋飞跃 Pontryagin极小值原理轨迹优化

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地外天体软着陆自主导航与控制技术研究进展

深空探测学报（中英文） 2024年第1期11卷 3-15页

作者：黄翔宇徐超郭敏文北京控制工程研究所北京100094 空间智能控制技术全国重点实验室北京100094

软着陆探测是重要的地外天体探测方式,制导、导航与控制(Guidance,Navigation and Control,GNC)是地外天体软着陆成功的关键。首先梳理了国内外月球、火星和小天体等地外天体软着陆任务发展现状;在此基础上,总结了地外天体软着陆任务典... 详细信息

软着陆探测是重要的地外天体探测方式,制导、导航与控制(Guidance,Navigation and Control,GNC)是地外天体软着陆成功的关键。首先梳理了国内外月球、火星和小天体等地外天体软着陆任务发展现状;在此基础上,总结了地外天体软着陆任务典型GNC方案及自主导航与控制技术主要进展;最后,针对未来的地外天体精确定点软着陆任务,提出了需要重点关注和发展的自主导航与控制关键技术,为未来技术发展提供借鉴和参考。

关键词：地外天体软着陆自主导航制导与控制研究进展

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火星精确着陆智能融合自主导航方法

深空探测学报（中英文） 2024年第1期11卷 24-30页

作者：高锡珍黄翔宇徐超北京控制工程研究所北京100094 空间智能控制技术全国重点实验室北京100094

针对未知环境下难以进行绝对光学导航定位的问题,提出了火星精确着陆智能融合自主导航方法。考虑地外环境纹理相似度高、图像间视角尺度变换带来的特征无法检测和识别效率低的困难,构建无监督单应网络估计探测器帧间运动。结合惯性测量... 详细信息

针对未知环境下难以进行绝对光学导航定位的问题,提出了火星精确着陆智能融合自主导航方法。考虑地外环境纹理相似度高、图像间视角尺度变换带来的特征无法检测和识别效率低的困难,构建无监督单应网络估计探测器帧间运动。结合惯性测量信息建立探测器状态递推模型,通过无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filter,UKF)利用所建立的测量模型和状态递推模型实现探测器位置、速度和姿态实时估计,仿真结果验证了无需特征检测与匹配,利用视觉惯性测量信息融合导航的有效性。

关键词：火星着陆智能导航多源融合无监督学习深度神经网络

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嫦娥六号环月飞行双环容错姿态控制

中国空间科学技术(中英文) 2024年第5期44卷 15-22页

作者：张洪华关轶峰李骥于洁陈尧王志文张晓文张录晨李林峰孙国健王振华郭敏文李晓锋高锡珍北京控制工程研究所空间智能控制技术国家级重点实验室

嫦娥六号着陆器和上升器组合体(着上组合体)环月飞行阶段，利用安装于上升器的10 N发动机(可形成力偶控制方式)和安装于着陆器的150 N发动机进行姿态控制。根据发动机安装布局，当力偶控制方式下某10 N发动机常关故障、其配对使用的10 ... 详细信息

嫦娥六号着陆器和上升器组合体(着上组合体)环月飞行阶段，利用安装于上升器的10 N发动机(可形成力偶控制方式)和安装于着陆器的150 N发动机进行姿态控制。根据发动机安装布局，当力偶控制方式下某10 N发动机常关故障、其配对使用的10 N发动机正常工作时，推进系统将产生与期望相反的控制力矩，导致姿态发散。为了保证在10 N发动机故障情况下着上组合体姿态稳定，给出了双环容错姿态控制策略，包括10 N发动机内环控制和150 N发动机外环控制。数学仿真结果表明，着上组合体环月飞行阶段双环容错姿态控制下，10 N发动机故障后，着上组合体姿态可以稳定在给定范围内。针对配置力偶姿控发动机和冗余发动机的探测器，采用双环容错姿态控制策略，可以有效应对力偶姿控发动机故障影响，保证探测器姿态稳定。

关键词：嫦娥六号环月发动机容错姿态控制相平面

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航天器敏捷机动控制技术发展及展望

宇航学报 2024年第1期45卷 1-11页

作者：袁利张科备雷拥军中国空间技术研究院北京100094 空间智能控制技术全国重点实验室北京100094 北京控制工程研究所北京100094

对航天器敏捷控制技术的发展现状进行综述,分析了航天器敏捷机动在路径规划、高敏捷高稳定度控制等方面面临的技术挑战;从航天器输入激励方面给出了不同路径规划对姿态敏捷机动性能的影响及适用范围。分析了单级路径跟踪控制、执行机构... 详细信息

对航天器敏捷控制技术的发展现状进行综述,分析了航天器敏捷机动在路径规划、高敏捷高稳定度控制等方面面临的技术挑战;从航天器输入激励方面给出了不同路径规划对姿态敏捷机动性能的影响及适用范围。分析了单级路径跟踪控制、执行机构精准输出控制、多级复合控制等方法对提升航天器敏捷机动高稳定控制性能的技术途径。航天器敏捷机动控制作为一项系统性技术,需要从结构动力学、控制架构、测量与执行部件研制等多方面开展综合分析与设计。针对航天器敏捷机动控制技术发展需求及所面临的挑战,从智能自主控制架构设计、自主决策与协同规划技术、高性能部件研制技术等方面,给出敏捷航天器控制技术的发展建议。

关键词：敏捷航天器路径规划敏捷机动控制高稳定度控制

面向重访周期需求的敏捷成像卫星任务规划方法

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空间控制技术与应用 2024年第2期50卷 23-29页

作者：丁祎男雷拥军王淑一黄盘兴北京控制工程研究所北京100094 空间智能控制技术重点实验室北京100094

为满足敏捷成像星座观测目标的重访周期需求,提出一种混合编码差分进化算法.分析敏捷成像卫星的工作特点,构造评价重访周期需求满足情况的目标函数,建立成像任务约束满足模型.针对观测任务选择与否、执行顺序和成像时间的优化需求,提出... 详细信息

为满足敏捷成像星座观测目标的重访周期需求,提出一种混合编码差分进化算法.分析敏捷成像卫星的工作特点,构造评价重访周期需求满足情况的目标函数,建立成像任务约束满足模型.针对观测任务选择与否、执行顺序和成像时间的优化需求,提出一种二进制-实数混合编码差分进化算法,实现了成像任务在时间轴上的分布优化.通过工程实例进行仿真校验,仿真结果表明相比于基于二进制编码的遗传算法,本文算法在优化时间和优化效果方面都有较大优势.

关键词：敏捷成像卫星任务规划重访周期混合编码差分进化

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弱引力小天体的自主捕获与相对导航方法

中国空间科学技术（中英文） 2024年第4期44卷 50-58页

作者：刘一武胡锦昌梁潇田启航张辉尹芳北京控制工程研究所北京100094 空间智能控制技术全国重点实验室北京100094

远距离自主捕获与近距离高精度自主相对导航是小天体探测任务中的关键问题,并且目标尺寸越小,问题越突出。首先,针对数万千米到数千千米远距离范围内的星空背景暗弱目标难以识别的问题,提出综合利用运动学和亮度的全自主捕获和识别方法... 详细信息

远距离自主捕获与近距离高精度自主相对导航是小天体探测任务中的关键问题,并且目标尺寸越小,问题越突出。首先,针对数万千米到数千千米远距离范围内的星空背景暗弱目标难以识别的问题,提出综合利用运动学和亮度的全自主捕获和识别方法,可以实现距离大范围变化的快速准确捕获,具备了3万千米以远捕获10等星暗弱目标的能力;其次,针对数千到数十千米范围交会段视线测量可观性不足的问题,提出基于视线和轨迹机动一体化设计的相对导航方法,在考虑燃料消耗的前提下有效地提高了轨迹可观性,实现了交会段优于5%精度的相对位置导航;最后,针对近距离不规则小天体表面附近的相对导航问题,提出基于图像陆标和点云特征相结合的光学导航方法,可同时适应阳照区和阴影区的探测需求,并结合基于多源数据融合的弱引力小天体重力场反演方法,进一步提高近距相对导航的精度,近距采样相对位置优于1 m,相对速度优于1 cm/s。对所提出的方法进行了数学和物理的仿真验证。提出的方法有效解决了小天体探测中的高精度相对导航问题,也能适用于数十米量级直径大小和明暗快速交替变化的小天体着陆探测任务。

关键词：小天体探测接近与附着自主捕获相对导航图像导航

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航天器威胁规避自主决策规划方法研究综述

中国空间科学技术（中英文） 2024年第4期44卷 71-89页

作者：高婉莹吴健发魏春岭北京控制工程研究所北京100094 空间智能控制技术全国重点实验室北京100094

随着空间碎片累积,巨型星座部署,以及太空竞争加剧,当前轨道威胁数目持续增长,对航天器的安全稳定运行造成了严重威胁。研究航天器面向轨道威胁的自主规避决策规划技术,对于保障空间资产安全具有现实而迫切的意义。面对突发高动态、时... 详细信息

随着空间碎片累积,巨型星座部署,以及太空竞争加剧,当前轨道威胁数目持续增长,对航天器的安全稳定运行造成了严重威胁。研究航天器面向轨道威胁的自主规避决策规划技术,对于保障空间资产安全具有现实而迫切的意义。面对突发高动态、时变多约束、信息不完全/不完美、多类型威胁并发的复杂轨道威胁场景,航天器自主规避决策规划的研究存在一系列实际挑战。针对非对抗性与对抗性两类轨道威胁,从决策建模、策略求解、动作规划及智能决策规划等关键技术入手,系统梳理了航天器自主规避决策规划的研究现状。在此基础上,结合待解决的难点问题,从建模、求解以及应用角度,对未来的研究发展方向提出一些建议,为航天器自主决策规划方法的进一步研究与发展提供参考。

关键词：轨道威胁威胁规避自主决策规划行为决策动作规划