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激光角反射器:从月球激光测距到天体探测基础设施

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宇航学报 2024年第5期45卷 661-679页

作者：严一粟郭继峰哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001

激光测距已成为太阳系内检验等效原理与洛仑兹破缺、测定后牛顿参数与引力常数时变等引力与相对论物理学研究的强大工具。为此,对激光角反射器在自然天体探测中的应用与发展进行了概述与分析。简单陈述激光角反射器的历史沿革后,首先介... 详细信息

激光测距已成为太阳系内检验等效原理与洛仑兹破缺、测定后牛顿参数与引力常数时变等引力与相对论物理学研究的强大工具。为此,对激光角反射器在自然天体探测中的应用与发展进行了概述与分析。简单陈述激光角反射器的历史沿革后,首先介绍了数个有待或正在实施的包含激光角反射器部署的天体探测计划。其次,基于激光角反射器与激光测距资料的已有工程经验,描述了激光角反射器在天体探测中承担的科学任务与关键技术问题。最后,以本世纪新一代激光角反射器与收发光源革新为背景,预测了激光角反射器及其激光测距的发展趋势,并针对无人与载人月球探测,对激光角反射器在新阶段天体探测中的使用提出建议。

关键词：激光角反射器月球激光测距引力与相对论物理学天体物理学天体探测

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基于二阶全驱系统的航天器姿态避障控制

航空学报 2024年第1期45卷 94-102页

作者：鲁明陈雪芹吴凡曹喜滨哈尔滨工业大学卫星技术研究所哈尔滨150001

针对航天器大角度姿态机动任务,考虑存在姿态禁止区域和干扰力矩影响,提出一种基于全驱系统模型的姿态机动控制方法。基于三维特殊正交群直接描述姿态运动并基于其李代数——指数坐标建立了误差姿态二阶全驱模型;提出基于三维特殊正交... 详细信息

针对航天器大角度姿态机动任务,考虑存在姿态禁止区域和干扰力矩影响,提出一种基于全驱系统模型的姿态机动控制方法。基于三维特殊正交群直接描述姿态运动并基于其李代数——指数坐标建立了误差姿态二阶全驱模型;提出基于三维特殊正交群的障碍李雅普诺夫函数,保证在其有界情况下姿态约束得到遵守;最后提出包含障碍李雅普诺夫函数的总李雅普诺夫函数,使用滑模技术并结合二阶全驱模型中参数矩阵的性质消除导数中的非线性项得到简洁的控制律。数值仿真结果显示,在所提出的控制方法作用下,航天器能够避开姿态禁止区域并收敛于期望姿态,并且稳态误差和控制能耗相比现有同类方法表现优异。

关键词：全驱系统李群指数坐标姿态机动控制障碍李雅普诺夫函数

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大质量比滚控式变质心飞行器动力学特性分析

宇航学报 2024年第2期45卷 250-261页

作者：孙佳慧胡玉东高长生荆武兴哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001

针对大质量比滚控式变质心再入飞行器结构参数设计问题,建立了包含活动体偏转运动的完整飞行器姿态伺服动力学模型,进而对活动体参数设计对姿态动力学耦合特性的影响展开分析研究。首先根据Routh准则给出了飞行器的纵向静稳定区域,并讨... 详细信息

针对大质量比滚控式变质心再入飞行器结构参数设计问题,建立了包含活动体偏转运动的完整飞行器姿态伺服动力学模型,进而对活动体参数设计对姿态动力学耦合特性的影响展开分析研究。首先根据Routh准则给出了飞行器的纵向静稳定区域,并讨论了配平攻角与活动体配置参数间的关系。对飞行器系统的动力学耦合分析结果表明,活动体偏转在控制滚转姿态的同时会对偏航姿态产生影响,进而造成控制精度的下降,甚至导致不稳定的飞行状态。为了在飞行器结构参数的优化设计中提高飞行器的控制性能、最小化飞行器滚转机动对偏航通道的影响,采用多尺度法对活动体偏转与飞行器偏航姿态运动构成的耦合非线性动力学系统在不同构型参数下的稳态解析解进行幅频响应特性分析,并给出考虑滚转偏航耦合约束下的大质量比滚控式变质心飞行器构型设计方案。

关键词：变质心飞行器动力学耦合非线性振动结构参数设计

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基于事件驱动的航天器星下点轨迹维持控制

航空学报 2024年第10期45卷 286-298页

作者：宁铠吴宝林哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150000

针对超低轨航天器高精度自主轨道维持问题,考虑通信受限和大气阻力摄动的影响,提出基于事件驱动机制的模糊自适应控制方法。首先,建立基于相对平均轨道根数的航天器轨道动力学模型,采用模糊自适应控制方法估计大气阻力带来的扰动项。然... 详细信息

针对超低轨航天器高精度自主轨道维持问题,考虑通信受限和大气阻力摄动的影响,提出基于事件驱动机制的模糊自适应控制方法。首先,建立基于相对平均轨道根数的航天器轨道动力学模型,采用模糊自适应控制方法估计大气阻力带来的扰动项。然后,在控制器细胞卫星一侧采用事件驱动机制,减少控制器细胞卫星和电推力器细胞卫星之间的通信负担和计算量,并且保证在一定时间内控制推力保持不变,以延长电推力器细胞卫星寿命。随后,提出基于事件驱动的模糊自适应轨道控制算法来维持星下点轨迹。最后,通过仿真验证了所提出算法的有效性。

关键词：超低轨航天器大气阻力自主轨道维持事件驱动机制模糊自适应控制

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一种高超声速飞行器固定时间滑模控制方法

宇航学报 2024年第4期45卷 560-570页

作者：许玉龙鄂斌王小刚崔乃刚哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001

针对高超声速飞行器再入滑翔段的姿态控制问题,提出了一种存在外部扰动、模型不确定和输入饱和约束情况下的固定时间收敛终端滑模控制器。首先,针对固定时间收敛的超螺旋二阶滑模扰动观测器,给出了一个更加精确的固定收敛时间上界。随后... 详细信息

针对高超声速飞行器再入滑翔段的姿态控制问题,提出了一种存在外部扰动、模型不确定和输入饱和约束情况下的固定时间收敛终端滑模控制器。首先,针对固定时间收敛的超螺旋二阶滑模扰动观测器,给出了一个更加精确的固定收敛时间上界。随后,构造了一种改进的变指数系数快速非奇异多变量终端滑模面。进而,基于固定时间观测器和改进的滑模面,提出了一种可以使高超声速飞行器模型在受到外部扰动、模型存在不确定参数和输入饱和约束的情况下,能够实现固定时间收敛的再入滑翔段姿态控制终端滑模控制器,并证明了其在观测器收敛前后的固定时间稳定性。该方法能够在不引入额外测量的前提下,有效避免输入饱和。最后,通过数值仿真验证了所提出的控制方法的有效性。

关键词：高超声速飞行器滑翔再入姿态控制固定时间控制滑模控制

考虑滑块动态特性的变质心四旋翼无人机双回路控制

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北京航空航天大学学报 2024年第3期50卷 861-873页

作者：杜青峰荆武兴高长生安若铭哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001

针对滑块动态特性引入的附加干扰力矩造成系统姿态抖动强烈的问题,开展变质心四旋翼无人机滑块参数设计与姿态/伺服双回路控制研究。通过建立双滑块变质心四旋翼无人机八自由度运动模型,明确了滑块的引入对系统的影响,给出了与滑块动态... 详细信息

针对滑块动态特性引入的附加干扰力矩造成系统姿态抖动强烈的问题,开展变质心四旋翼无人机滑块参数设计与姿态/伺服双回路控制研究。通过建立双滑块变质心四旋翼无人机八自由度运动模型,明确了滑块的引入对系统的影响,给出了与滑块动态特性相关的各项附加干扰力矩;分析并设计了滑块的安装位置、质量以及行程等参数,降低滑块对系统的耦合与干扰;最后以滑块驱动力作为控制量,设计了姿态/伺服双回路动态滑模控制器,同时利用非线性扰动观测器对复合扰动进行估计和补偿,并进行了仿真试验。仿真结果表明,在考虑滑块动态特性的情况下,所设计的控制器能够实现对变质心四旋翼无人机的姿态控制,并具有良好的抗干扰性能与鲁棒性。

关键词：变质心控制四旋翼无人机动态特性动态滑模双回路

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流体饱和岩样的震电勘探实验测量研究

地球物理学报 2024年第8期67卷 3241-3252页

作者：王军聂成洋关威胡恒山哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001

震电勘探结合了传统地震波勘探和流体饱和孔隙介质的动电耦合特性,利用地震波诱导的震电转换信号来评价被测介质的特征参数,是近年地球物理领域广泛关注的一种勘探测量新方法.与前人大多只测量介质外部流体相中的震电转换信号不同,本文... 详细信息

震电勘探结合了传统地震波勘探和流体饱和孔隙介质的动电耦合特性,利用地震波诱导的震电转换信号来评价被测介质的特征参数,是近年地球物理领域广泛关注的一种勘探测量新方法.与前人大多只测量介质外部流体相中的震电转换信号不同,本文针对固相介质内部震电波场的耦合特性,在实验室内开展岩样内部震电转换的观测实验研究.基于动电耦合机理,建立适用震电勘探测量的实验系统,制作内嵌测量电极的岩石样品,并通过流体中界面电磁波信号的比较,验证了镀银电极测量震电信号的有效性,进而开展岩样内部界面电磁波和伴随体波震电转换电场信号的实验测量,分析不同条件下两种转换波的传播特性和频率响应特性.实验结果表明:介质内部传播的界面电磁波信号和伴随纵波电场信号是可测量的,其均值在几十纳伏量级,并且幅值随源距的增大呈现指数规律衰减;随着声源频率的提高呈现先增大后减小的趋势,但伴随纵波电场信号对频率的敏感性更强.本文实验结果验证了Pride理论关于伴随震电场的预测,同时为震电勘探数据解释提供参考.

关键词：震电效应界面电磁波伴随震电场频率响应

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带有参数精确估计的迭代学习滑模控制及应用

航空学报 2024年第1期45卷 159-173,I0002页

作者：方乐言蒙晗侯明哲哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001

针对一类做重复运动的不确定全驱系统,提出了一种带有未知参数精确估计的迭代学习自适应滑模控制算法。通过设计跟踪误差的期望轨迹,放宽了对系统初值条件的限制,并使系统在初始时刻便位于滑模面上,消除了滑模到达阶段,有利于提高系统... 详细信息

针对一类做重复运动的不确定全驱系统,提出了一种带有未知参数精确估计的迭代学习自适应滑模控制算法。通过设计跟踪误差的期望轨迹,放宽了对系统初值条件的限制,并使系统在初始时刻便位于滑模面上,消除了滑模到达阶段,有利于提高系统鲁棒性。通过构造一组低通滤波器并引入遗忘因子和归一化技术,对参数估计误差进行了重构,并利用重构结果进行了微分-差分型自适应律设计。基于Lyapunov方法设计了迭代学习自适应滑模控制算法,证明了闭环系统信号的有界性以及跟踪误差和参数估计误差的渐近收敛性。最后,将所提出的迭代学习自适应滑模控制算法应用于航天器的绕飞控制中,并通过数值仿真验证了设计结果的有效性。

关键词：迭代学习自适应控制滑模控制参数估计航天器绕飞

具有稳定性保证的基于模型与条件神经过程的强化学习算法

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中国科学：技术科学 2024年第2期54卷 265-274页

作者：杨嘉楠丁一航朱益民蔡博马雨婷李云鹏韩铭昊哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150000

安全性是强化学习智能控制与决策方法大规模推广应用的必需能力.本文旨在实现智能体只通过安全策略(即将智能体动作限制在安全区域内的策略)收集数据进行训练,并使得最终训练的策略具有安全性保证.针对上述需求,研究拟采用控制理论中稳... 详细信息

安全性是强化学习智能控制与决策方法大规模推广应用的必需能力.本文旨在实现智能体只通过安全策略(即将智能体动作限制在安全区域内的策略)收集数据进行训练,并使得最终训练的策略具有安全性保证.针对上述需求,研究拟采用控制理论中稳定性分析的方法,在一致最终有界性约束下优化强化学习训练的策略.具体而言,本方法提出了一类学习系统动态模型和李雅普诺夫函数的有效方法,在不将智能体驱动到安全区域之外的前提下,利用其实现闭环系统的稳定性分析.此外,本文给出了如何在提高策略性能的同时逐步扩大安全区域的方法,并在此基础上,给出了一种实用有效的算法来保证闭环系统在训练中及训练后的策略稳定性.最终,本文通过倒立摆对理论结果进行了仿真验证,即验证如何在倒立摆不倒下的情况下优化强化学习策略.

关键词：强化学习安全性稳定性分析条件神经过程