DYNAMICS AND CONTROL OF SPACECRAFT FORMATION FLYING IN EARTH ORBIT1)

航天器编队飞行被定义为跟踪或维持航天器之间的期望相对间隔、期望指向和相对位置。本文概括介绍了近年来地球轨道飞行编队的动力学和控制方面研究的发展状况,包括传统推进系统和新型无推进剂编队系统的动力学建模方法和控制器设计技术等。在传统推进编队系统中,航天器由使用化学燃料或等离子体的推进器提供推力,可以实现高精度地相对姿态/位置保持或重构,控制简单,灵活性高,但是需要消耗较多的能源。相比之下,在新型无推进剂编队系统中,航天器通过新的推力方式,如大气阻力作用,非接触内力,地磁洛伦兹力,动量交换等,将大大延长编队任务的寿命,并有效地避免羽流污染,但会带来新的控制问题。本文总结了这些领域中动力学与控制方面的研究方法及取得的成果,并提出了相关领域值得深入研究的问题和后续发展的方向。     

航天器编队系统相对位置自适应分布式控制

针对具有参数不确定性以及外部扰动的航天器编队飞行队形跟踪控制问题,基于反步控制策略提出了一种能够实现控制有界的自适应编队控制方法。首先建立航天器相对运动的非线性动力学方程,在不考虑外部干扰情况下,利用饱和函数设计了输入有界的自适应协同控制器;之后进一步考虑存在外部干扰的情况,通过估计扰动上界设计了鲁棒自适应协同控制器,并且采用Lyapunov稳定性分析方法证明了控制系统的稳定性。数值仿真结果表明,提出的控制方法能够满足控制受限并实现航天器队形的协同控制,同时在大约100 s误差收敛到0附近,队形跟踪和队形保持的稳态误差分别小于0.002 m和0.005 m。     

最优轨迹规划方法及其平动点航天器编队均衡耗能重构应用

由于均衡耗能航天器编队能够提高整体航天器编队服役时间,针对平动点航天器编队重构的均衡耗能最优轨迹规划问题,提出一种以状态、协态和控制三类变量插值为核心的求解非线性最优控制问题的新方法。基于连续时间表达的非线性最优控制问题通过变分原理转化为非线性方程组的求解,并进一步推导非线性方程组显示格式的Jacobi矩阵提高非线性方程组的计算效率。本文方法既满足最优控制理论的一阶必要条件又具有较大的收敛域;同时,不需要对协态初值准确猜测,避免了大规模非线性规划问题的求解。通过对中心航天器位置固定和无中心航天器两种情况的数值模拟,结果表明,本文方法对航天器编队重构轨迹规划问题能够达到均衡耗能的目标,具有一定的应用价值。     

最优轨迹规划方法及其平动点航天器编队均衡耗能重构应用

由于均衡耗能航天器编队能够提高整体航天器编队服役时间,针对平动点航天器编队重构的均衡耗能最优轨迹规划问题,提出一种以状态、协态和控制三类变量插值为核心的求解非线性最优控制问题的新方法。基于连续时间表达的非线性最优控制问题通过变分原理转化为非线性方程组的求解,并进一步推导非线性方程组显示格式的Jacobi矩阵提高非线性方程组的计算效率。本文方法既满足最优控制理论的一阶必要条件又具有较大的收敛域;同时,不需要对协态初值准确猜测,避免了大规模非线性规划问题的求解。通过对中心航天器位置固定和无中心航天器两种情况的数值模拟,结果表明,本文方法对航天器编队重构轨迹规划问题能够达到均衡耗能的目标,具有一定的应用价值。     

卫星编队构型设计与轨道机动算法优化

卫星编队与轨道机动是完成在轨监视与捕获等空间任务的关键技术。针对追踪航天器在相对目标航天器的绕飞过程中特殊构型的编队飞行问题,提出了三种特殊的编队构型机动方案;针对近距离轨道逼近问题,分析了同平面轨道变轨策略和轨道转移能耗最优化问题,在此基础上给出了三脉冲升降轨机动方法,并可以根据需要将其扩展为N脉冲机动。以目标星运行轨道高度780 km为例进行仿真分析,结果表明平行四边形编队中追踪星在各交点处完成变轨所需的速度脉冲向量分别为0.1172m/s、0.1843 m/s,而花形编队和菱形编队中追踪星在各交点处完成变轨所需的速度脉冲向量均为0.1978m/s,从而验证了所提出方法的有效性。     

充液航天器液体晃动和液固耦合动力学的研究与应用

随着火箭运载能力、卫星工作寿命和深空探测器任务复杂度的不断提高, 液体推进剂占航天器总质量的比重也不断增加. 液体推进剂的晃动影响着航天器的运动稳定性和姿轨控系统的可靠性, 是航天器动力学中一个备受关注的问题. 充液航天器中晃动的液体是一个分布参数系统, 理论上是无穷维的, 而工程上希望建立的数学模型是简单、低维的, 因此对液体晃动等效力学模型的研究经久不衰. 另外, 液体推进剂对航天器的结构动特性有着重要的影响, 在建立充液航天器的结构动力学模型时需要考虑液体推进剂与贮箱等结构的耦合效应. 本文首先结合液体晃动动力学理论和航天工程实际, 从理论研究、数值研究和实验研究等三个方面综述了国内外在充液航天器液体晃动动力学领域的研究现状, 并以此为基础介绍了航天工程中液体晃动等效力学模型的应用进展情况; 然后, 以液体运载火箭为例概述了国内外在充液航天器液固耦合建模方面的成果,介绍了求解液固耦合问题的数值方法和应用软件; 最后, 根据航天器工程的发展需求, 对充液航天器液体晃动和液固耦合动力学的进一步研究方向提出了一些建议.      

航天器动力学与控制的研究进展与展望

开展航天器动力学与控制的研究在航天技术的发展中起到举足轻重的作用, 其目的在于发展有效的方法促使航天器在各阶段平稳可靠地运行. 航天器技术发展迅速, 其形式日趋多样化, 功能与构造日趋复杂,已经向大型空间站、微小卫星、深空探测等方向发展. 航天器结构表现出多耦合、非线性、极端外界环境, 以及大尺度柔性结构等特征, 由此激发起航天器动力学与控制领域各方向的深入研究. 航天器动力学与控制的研究方法覆盖理论分析、数值仿真, 以及实验模拟等诸多方面, 研究内容十分丰富. 本文概括介绍了近年来航天器动力学与控制研究方面的发展状况, 综述了跨航天器动力学与控制、航天器系统级动力学与振动控制、航天器部件级动力学与振动控制等航天领域中的若干基础问题. 内容主要集中于航天领域中不同应用范围、不同层次结构的航天器动力学模型的建立和动力学响应与振动控制的研究方法及已取得的成果. 最后, 提出了该领域中值得进一步考虑的科学问题及未来的发展方向.      

多星编队构型重构全局优化策略1）--第七届全国空间轨道设计竞赛乙题解法

第七届全国空间轨道设计竞赛乙组题目以近地轨道卫星编队的燃料最优构型重构问题为背景,要求合理设计从星的相对飞行轨迹,构建尽可能多的目标构型,并考虑燃料消耗均衡分配问题.本文介绍了该题目的解法,包括问题分析、求解方案以及相关计算结果.由于燃料最优控制问题可用能量最优控制问题近似,文中采用能量最优连续推力优化模型近似计算燃料最优控制律.首先通过优化分析两两构型之间的燃料消耗,确定了构建4种目标构型的次序;然后综合考虑构型保持时间约束以及相位约束,采用混合PSO（particle swarm optimization）算法进行全局优化;最后将影响燃料消耗指标的从星相对飞行轨迹的连续推力段转化为bang-bang控制.     

一种改进的轨道动力学模型

航天器的矢径可以分解为矢径模和单位矢量的乘积,利用该性质将传统轨道动力学方程分解为矢径模和矢径方向的动力学方程组,实现了航天器位置信息的分离;针对两个方程分别采用常数变易法和四元数描述方法,将轨道动力学模型转化为线性无奇异的方程组,同时得到了7 个新轨道变量,且建立了新轨道变量与惯性系下航天器位置速度信息以及轨道六要素之间的相互转换关系. 该轨道模型适用于任意形式的推力和摄动,避免了奇异性,且在虚拟时间的意义下,航天器的旋转角速度只取决于法向力;在常值推力和变推力的情况下,对该模型进行了数值验证,验证了新模型的可适用性、数值稳定性以及计算精度高的优势.      

基于对偶四元数的双星编队相对位姿测量

为了描述编队卫星中主从星的相对位置和姿态信息,提出了基于对偶四元数的编队卫星相对位姿测量算法。以双星编队飞行的位姿运动为主线,运用对偶四元数工具,充分发挥其能以最简洁的形式表示一般性刚体运动的优点,对卫星轨道和姿态进行分析并建立了对偶四元数位姿模型。同时设计类GPS测量技术来测量编队卫星的相对位置和姿态,该技术载波相位波长和伪码码元比GPS的更短,可获得更高精度的相对测量信号。由于状态方程和观测方程的非线性特征,使用UKF滤波来消除随机噪声对量测过程的干扰。实验结果表明,所设计的算法能够有效估计系统误差,卫星的位置误差和四元数误差收敛于零,验证了该算法的有效性。     

导弹编队协同攻击分布式鲁棒自适应控制

在有向通信拓扑下研究了导弹编队的鲁棒自适应协同跟踪控制问题。针对导弹编队系统中队形跟踪、外部扰动和模型不确定性的情况,通过选取包含位置跟踪误差和速度跟踪误差的辅助变量,提出了一种基于有向通信拓扑的鲁棒自适应编队控制策略。提出了自适应律对未知参数进行估计,并且利用Lyapunov稳定性理论分析了闭环系统的渐近稳定性。进一步,对于通信时滞的情况,给出了系统渐近稳定所需要满足的条件。与滑模控制等传统鲁棒控制不同,所设计的鲁棒自适应控制器是连续的,更便于导弹编队系统的实现。数值仿真结果表明,队形跟踪误差小于0.03 m,队形保持误差小于0.07 m,所设计的控制器能实现高精度的编队跟踪控制。     

基于深度强化学习的多无人车系统编队控制

针对多智能体编队控制问题,研究了基于DDQN深度强化学习算法的多无人车系统的编队控制器,采用一致性控制与伴随位形相结合的方法对编队控制问题进行建模和简化.建立了基于相对距离和速度的状态空间,使得控制输入不依赖于全局信息,然后设计了基于九大典型运动方向的动作空间,并设计了基于相对距离和相对速度的奖励函数,基于以上参数进行了神经网络架构的设计和网络训练与运动仿真环境的搭建,并成功训练出有效的控制器.该控制器可以直接应用于带有非完整约束的欠驱动无人车的编队任务,且控制器的网络训练只需要运动数据而不需要精确模型,是一种无模型控制方法.最后,通过大量不同场景下的运动仿真验证了控制器的有效性,包括多队形、多位置、多轨迹仿真以及时变队形、时变通讯和通讯故障等特殊情况的检验,该控制器在所有场景中均能有效完成控制任务.最后优化了编队起始阶段的策略,定义了等候条件与启动条件,有效节约了控制的能耗,利用运动仿真和对比分析验证了优化作用.     

平流层飞艇动力学与控制研究进展

本文简要介绍了飞艇的发展沿革和研究现状. 通过同传统的航空器、航天器、潜艇和低空飞艇进行比较, 阐述了平流层飞艇的飞行原理. 从基本运动模型和复杂受力情况的角度, 系统地讨论了飞艇动力学研究进展, 包括空气动力学研究、静力分析、热力学分析、柔性体动力学及流固耦合研究. 然后综述了飞艇控制方法研究进展, 包括小扰动线性化控制、输入输出反馈线性化控制、基于Lyapunov 非线性稳定性的控制及其他控制方法. 最后展望了在平流层飞艇动力学与控制领域需要从6 个方面加强研究.      

日地系统L_2点Halo轨道绳系卫星编队动力学

研究平动点附近周期轨道上旋转多体绳系卫星编队系统的非线性耦合动力学问题。编队系统为各卫星质量接近的轮辐状结构,位于日地系统第二平动点附近,整个系统的旋转保持系绳处于张紧状态,建立Hill限制性三体问题的绳系编队系统动力学模型。针对处于留位阶段的典型对称三星编队,在位于较大Halo轨道上无控制力作用的情况下,进行母卫星轨道运动与系绳摆动耦合运动的动力学模拟,分析轨道方向、卫星质量比、系绳长度以及初始旋转速度对编队系统整体稳定性的影响。     

具有刚-柔-液-控耦合的航天器动力学研究进展

从现代复杂航天器姿态非线性动力学、液体燃料晃动动力学与控制问题、航天器刚-柔耦合系统动力学建模问题、航天器刚-液耦合动力学、航天器刚-柔-液-控耦合动力学、充液航天器实验问题等方面概述了近年来国内外在充液航天器多体耦合动力学相关领域的最新研究进展. 分别从液体燃料晃动动力学建模问题、航天器刚-柔-液-控耦合系统非线性理论和方法、计算机数值仿真及物理实验问题等方面展望了有待进一步加强的研究课题.     

高速飞行中的等离子体问题

在远程弹道导弹和人造地球卫星、航天飞机或行星探测器等进入大气层时,由于极高的飞行速度,引起周围气体的高度加热,形成部分电离等离子体,对于飞行器的结构可靠性和传热,无线电通讯、飞行中的物理现象产生很大的影响.高性能航天器需要长时间、小推力、极高比冲的推进系统,为此发展了电热推进、离子推进、等离子推进等新的电推进方法.本文扼要介绍三方面的问 ...     

三体轨道动力学研究进展

三体系统轨道动力学问题是航天动力学领域中的经典问题, 具有丰富的理论与工程意义, 并将在人类由近地延伸到深空的航天活动过程中起到至关重要的作用. 本文回顾并总结了三体系统轨道动力学相关研究进展, 并结合未来的深空探测的发展趋势, 展望了三体系统轨道动力学研究中的热点与挑战. 首先阐述了三体问题的研究背景及意义, 简要回顾了三体系统动力学模型的发展历程. 其次, 系统概述了三体系统平衡点附近的局部运动特性, 介绍了平衡点附近周期轨道解析与数值求解方法, 给出了拟周期运动的最新进展. 同时总结了共振轨道、循环轨道、自由返回轨道等三类三体系统全局周期运动的动力学特性与研究进展. 再次, 从不变流形理论和弱稳定边界理论两个方面综述了三体系统中低能量转移与捕获轨道设计的研究进展. 最后, 综述了三体系统轨道动力学在编队飞行、导航星座设计两方面的应用, 并展望了全月面覆盖轨道设计、三体系统下的小推力轨道优化和三体系统的三角平衡点开发利用中值得关注的轨道动力学与控制问题.      

编队飞行星座相对运动的运动学描述与编队构型设计

分别以纬度幅角和平近点角、平纬度幅角及偏近点角为变量,推导了几种简单的编队飞行星座相对运动的运动学模型,这些模型和动力学模型(Hill方程)相一致,但更便于应用。并在此基础上,给出了当编队构型为空间圆形和星下点圆形时进行编队构型设计的一种运动学方法,该方法直接给出了星座中各星的轨道根数的计算方法,实例证明该方法简单实用。     

气动力辅助变轨的数值模拟

采用了航天器在行星上层大气中进行高超声速飞行时的轨道动力学方程,针对航天器从地球静止轨道转移到一个共面圆形低地轨道的变轨过程,进行了气动力辅助变轨过程的模拟.在变轨过程中,航天器从地球静止轨道开始,经过8次大气路径,耗时43.7小时,到达圆形低地轨道,与霍曼转移进行对比,其所消耗的推进剂质量仅为霍曼转移的41%.研究结果表明:气动力辅助变轨技术能够在降低推进剂消耗的情况下实现航天器的轨道转移.     

第七届全国空间轨道设计竞赛乙题解法

第七届全国空间轨道设计竞赛乙组题目是关于多星编队与重构的轨道设计问题.本文介绍了中国科学院光电研究院的设计方法和设计结果.设计方法包括整体设计思路、转移轨道寻优、编队方案搜索策略、连续推力轨道优化方法等,并在文中给出了具体设计步骤.搜索最优编队方案和连续推力轨道优化是提高性能指标的关键.最后,总结了此次竞赛中的体会与启示.