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基于漏斗策略的航天器高精度姿态控制器设计

控制与决策 2024年第5期39卷 1543-1549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重点实验室北京100190

针对一类具有外部扰动的航天器控制系统,提出一种基于漏斗策略的高精度姿态控制方法,从而对整个跟踪控制轨迹进行规划,保证控制误差时刻满足设计需求,有效提升控制系统动态性能与品质.首先,对所提出姿态控制策略的跟踪性能进行理论分析... 详细信息

针对一类具有外部扰动的航天器控制系统,提出一种基于漏斗策略的高精度姿态控制方法,从而对整个跟踪控制轨迹进行规划,保证控制误差时刻满足设计需求,有效提升控制系统动态性能与品质.首先,对所提出姿态控制策略的跟踪性能进行理论分析,结果表明如果姿态控制误差初值位于根据性能需求设计的漏斗区域内,则在后续任意时刻跟踪误差将始终位于该动态性能漏斗中.在此基础上,考虑到实际工程应用中航天器系统控制信号的有界性需求,给出性能漏斗的优化设计方法,从而保证在输入幅值约束下控制系统的动态性能.最后通过数值仿真验证了所提出航天器姿态漏斗控制策略设计方法及理论分析结果的正确性和有效性.

关键词：航天器姿态跟踪控制漏斗控制策略预设误差性能输入幅值约束扩张状态观测器扰动抑制

一种适应卫星姿态侧摆机动的混合轮系控制方法

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中国空间科学技术（中英文） 2024年第3期44卷 111-119页

作者：雷拥军陆栋宁袁利陈超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 中国空间技术研究院北京100094

针对高稳定度轮控大型卫星因动量轮力矩小而难以满足侧摆成像任务需求问题,开展了混合轮系配置方案及控制方法研究。首先,提出常规轮系配置卫星滚动轴方向串联大力矩飞轮的混合配置方案,并设计飞轮开环前馈与常规动量轮闭环反馈相结合... 详细信息

针对高稳定度轮控大型卫星因动量轮力矩小而难以满足侧摆成像任务需求问题,开展了混合轮系配置方案及控制方法研究。首先,提出常规轮系配置卫星滚动轴方向串联大力矩飞轮的混合配置方案,并设计飞轮开环前馈与常规动量轮闭环反馈相结合的控制策略;其次,设计以容许角动量最大量为权重的飞轮组前馈力矩分配律和具有角动量反馈的飞轮力矩跟踪控制方法,实现飞轮力矩合理分配及其模型不确定性导致输出力矩偏差抑制;然后,设计估计器对星体内外扰动力矩进行估计与补偿,以确保卫星高稳定度性能实现;最后,给出在轨应用情况,验证所提出方案及方法的有效性。在轨应用表明,采用该控制方法,有效缩短了整星侧摆稳定时间达100 s以上,且非机动期间姿态稳定度优于3.75×10-5(°)/s。

关键词：姿态控制混合轮系配置前馈控制动量轮大力矩飞轮

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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 71-89页

作者：高婉莹吴健发魏春岭北京控制工程研究所空间智能控制技术全国重点实验室

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... 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

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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光子带隙光纤背向散射次波建模及实验验证

光学精密工程 2024年第6期32卷 765-773页

作者：王晓阳滕飞徐小斌王琪伟周晓娜田亚男马官营李勇北京控制工程研究所北京100190 空间智能控制技术重点实验室北京100190 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院北京100191

光子带隙光纤有着独特的结构形式、传输介质和导光机制,这使其具有传统光纤无法比拟的优点,是未来光纤陀螺的理想选择。但光子带隙光纤粗糙的纤芯内壁导致其产生强烈的背向散射次波,会使光子带隙光纤陀螺产生额外的非互易误差。为了定... 详细信息

光子带隙光纤有着独特的结构形式、传输介质和导光机制,这使其具有传统光纤无法比拟的优点,是未来光纤陀螺的理想选择。但光子带隙光纤粗糙的纤芯内壁导致其产生强烈的背向散射次波,会使光子带隙光纤陀螺产生额外的非互易误差。为了定量分析光子带隙光纤背向散射次波强度大小,论文基于电偶极子辐射理论建立了一种简单的光子带隙光纤背向散射次波理论模型。通过聚焦离子束微纳加工法和原子力显微镜测量得到了准确的纤芯内壁表面形貌功率谱密度,进而计算得到HC-1550-02型光子带隙光纤背向散射系数理论值为2.61×10^(-9)/mm。通过光频域背向反射散射仪得到HC-1550-02型光子带隙光纤背向散射系数测量值为~1.82×10^(-9)/mm,初步验证了背向散射次波模型的正确性,为背向散射次波抑制技术研究奠定了基础。

关键词：光子带隙光纤背向散射次波功率谱密度

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时变不确定环境下力跟踪的机械臂变导纳控制

空间控制技术与应用 2024年第2期50卷 38-46页

作者：李翰源张海博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

空间机械臂操作环境是时变且不确定的,存在接触力过大造成损坏的风险,对机械臂操作柔顺性提出挑战.本文以六自由度机械臂为研究对象,针对定导纳控制在时变不确定接触环境依赖精确估计实现力跟踪的问题,研究了自适应变导纳控制.针对自适... 详细信息

空间机械臂操作环境是时变且不确定的,存在接触力过大造成损坏的风险,对机械臂操作柔顺性提出挑战.本文以六自由度机械臂为研究对象,针对定导纳控制在时变不确定接触环境依赖精确估计实现力跟踪的问题,研究了自适应变导纳控制.针对自适应变导纳控制超调过大的问题,设计了用于补偿自适应策略参数的模糊系统,提出一种自适应模糊变导纳控制方法.基于三类时变环境进行了Matlab/Simulink仿真,验证了自适应模糊变导纳控制算法的有效性.仿真结果表明提出的自适应模糊变导纳控制在时变接触环境下具有更优的力跟踪和超调抑制综合效果.

关键词：机械臂变导纳控制自适应策略模糊系统

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基于空间目标异步观测的惯导误差快速确定

中国惯性技术学报 2024年第1期32卷 16-26页

作者：杨静王栋熊凯北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191 北京控制工程研究所空间智能控制技术重点实验室北京100094

针对惯性/天文组合导航系统中大的初始状态误差影响惯导误差收敛速度的问题,在星相机观测具有先验位置信息的有限空间目标的辅助下,提出一种基于目标-恒星角距异步测量的惯导误差在线快速确定方法。首先,在星相机光轴旋转角度和视场角... 详细信息

针对惯性/天文组合导航系统中大的初始状态误差影响惯导误差收敛速度的问题,在星相机观测具有先验位置信息的有限空间目标的辅助下,提出一种基于目标-恒星角距异步测量的惯导误差在线快速确定方法。首先,在星相机光轴旋转角度和视场角大小受限的情况下,设计了通过异步照相观测方式获取有效空间目标参考信息的方案;其次,在利用惯导误差状态传播模型实现异步测量信息同步处理的基础上,构建基于空间目标与恒星之间角距的非线性最小二乘优化模型,避免了星相机的光轴扰动和安装误差对测量精度的影响;最后,基于高斯牛顿法设计了两轮迭代优化估计惯导位置误差和速度误差的方法。蒙特卡洛仿真结果表明,所提方法利用对空间目标和恒星的有限观测信息,可以有效估计惯导位置误差和速度误差,在初始位置误差约十千米量级的情况下,可以估计补偿约97.73%的位置误差以及66.25%的速度误差,优化求解误差参数的计算耗时为0.0160 s。

关键词：天文导航异步观测非线性最小二乘高斯牛顿法

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一种基于虚拟星敏感器的卫星姿态确定方法

空间控制技术与应用 2024年第1期50卷 8-16页

作者：张志方林瀚峥李公军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

对于配置多个星敏感器的卫星,采用常规的定常增益卡尔曼滤波方法进行姿态确定时,存在滤波定常增益矩阵众多、系统复杂的问题,为了简化滤波系统设计,统一定常增益矩阵,提出一种基于虚拟星敏感器的姿态确定方法.给出一种计算量小、适合星... 详细信息

对于配置多个星敏感器的卫星,采用常规的定常增益卡尔曼滤波方法进行姿态确定时,存在滤波定常增益矩阵众多、系统复杂的问题,为了简化滤波系统设计,统一定常增益矩阵,提出一种基于虚拟星敏感器的姿态确定方法.给出一种计算量小、适合星载计算机在轨实时计算的星敏感器时间滞后补偿及相对基准标定算法,将星敏感器的输出数据统一到当前星时,同时将星敏感器的测量基准统一.基于单星敏/双星敏的输出数据构造虚拟星敏感器(安装矩阵为单位阵)的输出数据,设计统一的定常增益矩阵进行姿态确定.仿真结果表明,本方法与常规的定常增益卡尔曼滤波方法姿态确定精度相当,从而验证该方法有效,且具有重要的工程应用价值.

关键词：虚拟星敏感器卡尔曼滤波定常增益姿态确定统一基准

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基于空间目标定向观测的飞行器导航方法研究

空间控制技术与应用 2024年第3期50卷 11-22页

作者：熊凯周鹏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

本文主要研究基于定向观测星相机和惯性测量单元(inertial measurement unit, IMU)信息融合的飞行器高精度导航方法.在已有导航方式中,惯性导航系统(inertial navigation system, INS)/全球导航卫星系统(global navigation satellite sy... 详细信息

本文主要研究基于定向观测星相机和惯性测量单元(inertial measurement unit, IMU)信息融合的飞行器高精度导航方法.在已有导航方式中,惯性导航系统(inertial navigation system, INS)/全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)组合导航在无线电信号拒止环境中存在性能下降的风险,传统INS/天文导航系统(celestial navigation system, CNS)组合导航能够抑制惯性测量单元中的陀螺漂移,但不能有效消除加速度计零偏的影响.针对上述问题,提出一种基于空间目标定向观测的飞行器自主导航新方法,在飞行器上配置星相机对星历已知的空间目标和背景恒星的视线方向(line-of-sight, LOS)进行观测,利用IMU进行状态预测,通过扩展卡尔曼滤波器(extended Kalman filter, EKF)获得载体位置、速度和姿态的估计值,同时,对惯性器件测量偏差进行校准.设计了基于克拉美劳下界(Cramer-Rao lower bound, CRLB)的观测目标优化选取策略,通过空间目标可见性分析、导航系统可观度分析以及导航滤波器数学仿真验证了所提方法的有效性.

关键词：飞行器导航空间目标优化选取卡尔曼滤波器