针对航天器姿态跟踪问题,建立了基于误差四元数的姿态控制系统二阶数学模型。基于现代控制理论,通过设计四元数状态反馈控制器对姿态控制系统的极点进行配置,实现航天器姿态的稳定跟踪。仿真结果表明,设计的状态反馈控制器能够实现微型航天器的高精度姿态跟踪控制。

综述了液体火箭发动机的故障模式,总结了液体火箭发动机故障诊断技术的最新成果,包括基于物理模型、信号分析和人工智能的故障诊断方法;将不同故障诊断方法的应用进展及其诊断效果进行了对比分析;并对液体火箭发动机故障诊断方法的发展趋势进行了展望。

针对升力式飞行器升阻比较大、横向再入机动能力较强的特点,提出了一种综合考虑着陆场位置、返回时间和离轨燃耗约束的最短时间离轨点设计方法。首先,在飞行器运行轨道和着陆场位置给定的条件下,求解了着陆点与星下点轨迹的最小横向距离,并考虑位置及时间约束,根据再入可达域参数确定了再入航程角和再入时间范围。其次,考虑离轨燃耗约束,推导了再入角给定时离轨航程角和离轨时间的解析计算方法,采用牛顿迭代法求解二者取值范围。最后,依据离轨段及再入段航程角范围确定了离轨窗口,用非线性优化方法求解了返回时间最短的离轨点位置。数值仿真表明,所提方法能实现多约束下的飞行器最短返回时间离轨轨道计算,具有较好的适应性,可为航天器离轨方案设计提供参考。

分析研究了附加连接对多级协同控制卫星控制性能的影响。首先,利用牛顿欧拉法建立了主动指向超静平台动力学模型与卫星-载荷多级系统,为分析附加连接对系统产生的影响提供了动力学基础;其次,将线缆连接等效为附加刚度,建立了附加连接的力学模型并加入多级卫星动力学系统;仿真分析了附加刚度对开环与闭环系统隔振效果的影响,进一步分析了附加刚度对主动指向超静平台稳定性与指向控制精度的影响并提出了解决方案。仿真结果表明,星体与载荷之间的附加连接略微降低了主动指向超静平台的隔振效果与系统的稳定性,但对载荷指向控制精度影响不大。

分析了低中高不同轨道高度受摄演化规律,针对2种典型的异构混合星座,提出了星座部署偏置量计算方法及星座构型保持控制策略。算例表明,合理利用入轨轨道参数偏置和摄动运动保持控制,可以实现异构星座卫星最优协同工作。

以空间连续变量描述的动力学模型为基础,考虑了大型柔性空间结构的整体刚体运动与局部弹性运动及位于结构边界的控制输入项的动力学耦合关系,建立了可以描述由几何非线性形变引起的动力学刚化现象的非线性动力学模型;再针对该耦合系统设计基于能量耗散方法的边界稳定控制器,利用布置在全柔性航天器两端的推力器和控制力矩陀螺,实现具有动力刚化特点的非线性自由边界弹性结构的边界稳定控制;通过数值仿真,给出全柔性航天器在边界控制作用下的动力学响应,以验证所设计的控制器的有效性。

为了解决航天器编队保持或构型重构等轨道机动过程中的导航连续性问题,提出了一种基于轨道拟平根数的UKF相对导航方法。充分利用合作目标相对位置、速度和机动加速度等测量信息,通过高斯摄动方程构造状态变量的状态转移方程并推导高维观测方程,使其能够有效跟踪轨道机动造成的影响。考虑到上述方程的非线性,采用UKF构造滤波算法。该方法克服了传统基于Hill方程或约化相对轨道拟平根的相对导航方法的不足,能够跟踪轨道机动对相对运动产生的影响,连续给出控制策略所需相对导航结果。

在引力波探测任务中,针对大尺度激光建链时目标姿态动态变化以及姿态机动约束复杂的问题,提出了引力波探测卫星动态姿态规划方法。首先给出引力波探测卫星的最优目标姿态求解方法。然后,设计了随机节点启发式扩展方法和目标姿态实时更新方法,对力矩轨迹进行平滑处理,实现了动态目标姿态规划。仿真结果表明,与经典RRT姿态规划方法相比,本文提出的方法具有更高的指向精度,并且消耗能量少,可满足引力波探测卫星大尺度建链保持的任务需求。

针对运载器再入段存在故障以及多源干扰情况下的姿态控制问题,利用部分干扰的已知信息,提出一种精细抗干扰容错控制方法。首先,建立包含故障与多源干扰的运载器姿态控制模型与弹性振动干扰模型;其次,设计一种干扰观测器对运动学中的模型不确定进行准确估计;结合强抗扰控制思想,设计干扰观测器估计弹性振动干扰,设计扩张状态观测器估计故障及其它干扰;最后,利用各观测器的输出,基于动态面控制,设计虚拟控制信号对非匹配通道的模型不确定项进行动态补偿,设计精细抗干扰容错控制器对故障以及多源干扰进行补偿,保证姿态跟踪的精确性。仿真结果表明该方法可有效提高姿态跟踪精度与系统可靠性,达到精细姿态控制效果。

卫星星载转台的快速扫描运动会对星体姿态产生较大扰动,为维持受扰期间星体姿态的高精高稳指向,在转台扫描路径规划和星体姿态控制器改进两方面采取措施:利用阿基米德螺旋线对载荷指向的星下点轨迹进行规划,使转台的转角、转速平滑缓变,以减小转台运动对星体姿态的扰动;根据规划轨迹解算的转台运动指令信息和转台的精确动力学模型,实时计算转台运动对星体产生的干扰力矩,并将其作为前馈量在控制器中同步补偿,再叠加高带宽的反馈控制,形成前馈+反馈的复合控制器结构。最后通过仿真验证了上述措施的有效性。

针对多无人机执行编队飞行任务过程中在时间、空间、姿态多维度协同配合的问题,提出了一致性算法和领航跟随法相结合的无人机编队控制方法。基于领航跟随法将无人机分为领航机和跟随机,领航机和跟随机共同组成无人机编队。在此基础上设计了无人机运动学模型和基于一致性算法的编队控制器。实现了无人机编队飞行控制系统,控制多无人机执行协同探测编队飞行任务。最后,使用三台无人机开展飞行实验,验证了该编队飞行控制方法的有效性,为使用无人机模拟卫星来测试星载有效载荷设备提供了支持。