给出了中国神舟系列飞船所采用的高精度星敏感器的设计方案和在轨验证结果。在镜头设计方面,采用了光阑前置结构型式,满足小型化和长寿命应用需求;在整机结构设计方面,采用了“框架组合环绕式”一体化结构,注重轻量化与稳定性;在电路设计方面,采用了抗辐照加固的APS图像传感器、处理器和ASIC,确保全寿命周期内高灵敏度探测与高可靠信息处理;在算法方面,采用了聚类提取、快速三角形识别、卷帘补偿以及曝光时间动态调整等算法,实现精度、更新率、动态和捕获等关键性能指标;此外,对整机热稳定性进行了改进,确保星敏感器性能可以良好保持。该星敏感器已成功应用于载人航天、探月及北斗三号等一系列重大工程,在轨应用数量达到200余台。
针对十表冗余激光陀螺三自捷联惯组(包含5只陀螺和5只加速度计)的标定问题,推导给出了标定模型以及标定方案。将十表冗余惯组划分为直表X\Y\Z和斜表S\T两组,直表采用系统级标定方法,建立关于标定误差模型的状态方程,以导航速度误差作为量测,通过Kalman滤波估计标定误差参数;以直表标定结果作为参考,进行斜表的分立式标定,分别建立了加速度计、陀螺标度系数和陀螺漂移的标定模型。最后,结合19位置系统级标定方法和分立式标定方法完成了十表冗余激光捷联惯组标定,结果显示标定结果正确,分析了标定误差特性。
针对空间自由漂浮机械臂在任务工作空间进行轨迹规划时可能存在奇异的问题,首先对奇异点的主要影响因素进行了分析和证明,给出了奇异点的3个基本性质和一种奇异度量定义;然后基于鲁棒伪逆思想设计了一种光滑避奇异算法,并利用奇异值分解的手段给出了鲁棒伪逆法的避奇异机理,以及详细计算了避奇异时在关节工作空间和任务工作空间所引入的跟踪误差;最后,在此基础上提出了一种改进的鲁棒伪逆法,在实现奇异规避的同时,进一步减小了引入的跟踪误差。数值仿真验证了结论的正确性和设计方法的有效性。
针对航天机电伺服系统阶跃响应快速且无超调、跟踪连续变化信号稳态精度高的要求,在位置-速度-电流三闭环控制基础上引入前馈控制组成复合控制,实现了在不降低系统动态性能和稳定度的前提下,提高了对连续变化信号的跟踪精度。分析了闭环控制器与前馈控制器的设计方法,针对全不变性原理设计的前馈函数对噪声敏感的问题,给出了基于误差系数法的设计方法。然后进行了实验验证,实验结果显示:伺服系统能够快速、无超调地响应阶跃指令,对连续变化信号具有良好的跟踪精度,系统带宽得到拓展,说明了本文方法的有效性与实际可行性。
研究多次分离阻力控制探测器在火星气动捕获过程中的导航与制导问题,建立了气动捕获过程中的动力学模型与测量模型,提出了将火星大气密度建模为高斯过程,结合无迹施密特-卡尔曼滤波对探测器的系统状态进行估计,给出了系统状态的统计信息。采用随机制导策略,通过无迹变换传播系统状态的均值和协方差信息,将其纳入制导目标的设计中,并最终优化阻力裙分离时间。仿真结果验证了所提算法在提高气动捕获导航精度和减小最终入轨所需速度增量方面的有效性,为火星气动捕获及其他深空探测任务提供了理论和技术支持。
主要研究充液航天器在存在参数不确定和外部扰动的情况下,姿轨耦合一体化运动与控制问题。将液体晃动等效为一阶弹簧质量模型,基于对偶四元数建立了充液航天器姿轨耦合动力学模型,按照动量与动量矩守恒定律推导充液航天器姿轨耦合动力学方程与运动学方程;考虑外界干扰和模型耦合特性,提出了一种基于指数形式的预设性能终端滑模控制策略,采用干扰观测器对综合扰动进行估计;并利用Lyapunov理论证明闭环系统的稳定性;最后,数值仿真结果表明,在设计的控制器作用下,充液航天器可以实现精确的姿轨控制,验证了控制器的有效性。
提出了一种面向非合作目标捕获的空间双臂机器人有限时间柔顺抓捕策略。首先建立了自由漂浮基空间机械臂以末端执行器位姿自由度为广义坐标表示的末端执行器动力学模型。在此基础上基于全局快速非奇异终端滑模控制理论设计了有限时间轨迹跟踪控制器,实现了末端执行器的有限时间轨迹跟踪控制。进一步采用一种三指末端抓握机构,建立了末端执行机构-目标抓捕位置子系统动力学模型,在该模型基础上基于柔顺控制理论设计了复合柔顺抓握控制策略,解决了末端执行器对目标的柔顺抓握控制。仿真结果表明,所设计的有限时间柔顺抓捕控制策略能够实现空间双臂机器人在有限时间内对翻滚目标的柔顺抓握控制。
针对大数量卫星轨迹保持控制策略自动快速计算的需求,开展了定制化保持环指标下卫星轨道控制量计算优化设计研究。在分析回归轨道特性基础上,优化了轨迹网预报参考基准计算方法,以历史精密星历构造伪观测数据,计算平均大气阻尼系数,将其作为轨迹网精密预报模型的输入,设计基于迭代修正的轨道控制量自动计算方法,通过合理选择初值、调控控制量粗筛区间,设置迭代终止门限,加快搜索速度。仿真结果表明,该方法能够快速完成卫星轨迹环到达指定西边界的控制量自动计算,为后续大数量卫星例行轨控策略高效自动计算提供理论支撑。
针对地球同步轨道(GEO)的航天器在轨加注任务规划问题,提出了一种基于分层加注的在轨加注策略,相较于传统“一对多”加注方法可有效提高加注效率。在该加注策略中,定义了一种子服务航天器(SSc),与主服务航天器(PSSc)共同完成在轨加注任务。在此基础上,基于多圈Lambert轨道转移作为航天器轨道转移模型,得到轨道机动速度增量与转移时间关系,考虑航天器载荷与任务时间等约束条件,将航天器轨道转移的燃料成本和转移时间作为目标函数,并通过改进遗传算法来优化求解航天器加注次序与轨道转移时间。最终,通过数值仿真验证了理论的有效性。
针对热点区域的多重覆盖问题,采用回归圆轨道的共星下点轨迹星座方案,提出基于遗传算法求解单颗卫星轨道参数、利用简单解析公式求解星座轨道参数的方法。首先,建立了回归轨道热点区域多重覆盖模型; 其次,以卫星一个回归周期内覆盖时间最长为性能指标,首颗卫星轨道根数利用遗传算法可优化求取; 最后,根据星下点轨迹重合这一约束条件设计星座构型,并利用各卫星间几何关系求解各卫星的轨道根数。理论分析和仿真结果表明,该方法简单且易于实现,设计结果正确,可实现回归周期内同一卫星星下点轨迹多次覆盖目标,星座使用卫星少、覆盖频率高,具有较好的工程应用价值。
考虑难以获取飞轮精确数学模型及星上算力受限问题,提出了一种基于改进LSTM与故障树相结合的故障诊断方法。首先,从种群初始化、距离控制参数及α狼位置更新等角度改进传统灰狼算法(GWO),使其拥有更好的收敛性能;然后在网络训练过程中引入优化算法,对超参数空间开展寻优,克服传统手动调整方法或网格搜索法导致的超参数选取效率低的问题;进一步考虑故障树分析的工程实用性和神经网络的自主性,设计二者组合的故障诊断框架;最后,建立飞轮故障树模型并进行仿真实验,仿真证明了改进GWO出色的收敛性以及组合式诊断算法对飞轮故障检测和识别的有效性。
