实时数据驱动的交会对接仿真平台设计与实现

航天器地面综合测试时,为了在测试数据显示基础上,动态展示航天器交会对接过程,验证交会对接飞行方案的正确性,为航天员手控交会对接训练提供支持,设计航天器交会对接仿真系统,给出交会对接仿真平台设计架构。通过对航天器建模、虚拟场景装配、模型驱动方法、阳照区/阴影区绘制、姿态和星下点轨迹计算方法研究,开发实现航天器交会对接仿真平台。平台由实时测试数据驱动,在航天器地面静态测试下,可以实时显示航天器三维飞行状态及星下点轨迹。目前,仿真平台已经应用于航天器地面综合测试过程中,同时,平台可以扩展支持航天器在轨飞行动态展示,丰富了航天器测试和监视手段,具有较高工程应用价值。     

支持交会对接任务精密时间基准方法研究与实现

在交会对接载人飞行器综合测试过程中,为了实现多飞行器协同工作,需要对多航天器同步实时模拟航天器在轨交会对接过程中的飞行状态及时序,这就对航天器和测试系统间的协调匹配性提出了很高的要求,系统时间基准精度要求尤为突出。地面测试设备需要有一个统一、高精度的时间标准,作为测试数据、测试指令的参考,是准确测量船载频率标准的关键所在,在整船综合测试过程中,对时间基准和时间基本修正方法进行了研究,采用了时间精度同步算法关键技术和方法,以保证时间的准确性和一致性。经实际应用高精度时间精准方法及系统设计,满足交会对接载人航天器工程上的应用,保证精密时间基准系统功能、精度能满足测试要求,为载人航天器可靠性验证提供极为重要的辅助手段。     

基于超二次曲线障碍描述的航天器交会对接地面实验研究

航天器交会对接技术是众多空间任务得以开展的关键性技术,在进行空间在轨飞行任务之前,需开展相应的地面实验研究.首先,基于二维交会对接模型,提出了一种基于势函数法的交会对接控制方法.其次,考虑与类矩形障碍物的避撞约束以及与心形目标航天器的安全对接区域约束,并采用超二次曲线去描述该障碍物外形.然后,基于花岗岩气浮平台搭建了二维交会对接地面实验系统,设计了航天器气浮模拟器以及电磁对接机构,并开展了交会对接地面实验研究.实验结果表明了所搭建实验系统的可行性,同时也验证了所提出交会对接控制方法的有效性.     

激光导航敏感器在自动交会中的应用

新型航天任务要求机载系统具备自动交会和对接的功能，开发，研制此类自动交会对接系统的关键在于如何准确获得追踪航天器与目标航天器之间的相对位置、相对速度、相对姿态及相对姿态角速度等状态信息。采用激光敏感器并配合以适当的导航滤波器就可得到所期望的导航精度。本文针对激光敏感器应用于自动交会对接测量系统，探索导航滤波器的结构组成，设计考虑及其运行性能，并以美国航天飞机的交会对接为实例，向读者提示导航系统的一     

航天器控制若干技术问题的新进展

航天器姿态和轨道控制技术是航天器研制中的关键技术,对实现复杂航天器的控制以及未来复杂的飞行任务都具有非常重要的作用。文中通过一些飞行实例概述国内外航天器控制技术的发展,论述了航天器控制技术在编队飞行、自主交会与对接和复杂对象控制中的进展。文章通过揭示航天器控制技术领域的研究和发展趋势,为我国航天器制导、导航与控制技术的发展提出建议。     

交会对接视觉相对导航系统半物理仿真

飞行器自主交会对接最终逼近段,通过视觉导航系统可以精确测量两飞行器在对接过程中的相对位置和姿态。根据飞行动力学建立相对导航观测模型和状态模型;设计基于微型可见光对接敏感器的相对导航算法;应用扩展卡尔曼滤波器(EKF),并采用simulink软件模块建立相对导航算法的模型;采用实验室的光电组合测量与相对导航系统成功的进行了地面半物理仿真。实验结果表明,导航半实物系统能够为两个交会对接航天器提供足够精度的相对运动状态信息。     

载人飞船交会对接半物理仿真试验环境研究

航天器交会对接 (Rendezvous and Docking,RVD) 是载人空间飞行中一项十分重要的技术.由于风险、成本、技术难度都很大,必须在地面进行充分的试验,其中最主要的是GNC系统交会对接半物理仿真试验.此试验需要一系列高精度大型设备支持,尤其是模拟追踪飞船和目标航天器轨道运动和姿态运动的9自由度运动模拟器更是规模大、技术复杂、耗资大的设备.本文在深入调查和研究的基础上对交会对接半物理试验设备进行了讨论.     

自主空间交会对接飞行演示与验证——美国“轨道快车”计划

在轨服务技术，包括在轨补给燃料、检修卫星、更换元部件和空间组装，这一空间技术无论在军用和民用方面都具有重大意义。自主交会对接是在轨服务技术中的一项非常关键的技术，本文介绍美国“轨道快车”计划中有关自主交会对接空间飞行演示和实验。其中包括飞行演示目的要求和实验内容，追踪星与目标星研制技术，自主交会对接敏感器和捕获对接方式。演示实验中许多技术和方法，值得人们参考与借鉴。     

运载火箭一体化测发系统的并行测试研究

现役运载火箭一体化测发系统的单任务测试模式,已无法满足运载火箭的高密度、快速测发的需求。通过控制软件多线程设计实现多任务控制的并行处理;使用分布式执行终端,同步完成并行测试功能。设计具有包含多任务信息的通讯协议,实现并行测试信息的网络传输。利用软件的共享缓存技术实现多任务之间的信息交互。在信息传输中通过字节流模式进行先进先出的实时通信,保证了运载火箭测发的实时性。通过对一体化测发系统的并行测试研究,可实现一套测发控系统对箭上多个子系统同时进行测试。 并行测试技术的研究利用了计算机系统并行处理能力,通过测发软件的并行设计,实现可由用户控制的多任务并行测试系统,提高了运载火箭的测试效率和节省测试费用,是解决运载火箭高密度、低成本发射的一种技术途径。     

交会对接航天员训练电视图像实时高动态范围渲染

应用基于人眼视觉系统的高动态范围实时渲染技术处理交会对接仿真场景,可以为航天员手控交会对接训练提供高逼真度的电视图像.文中结合交会对接电视图像的特点,分析了交会对接航天员训练电视图像高动态范围实时渲染的关键技术;根据两航天器相对距离,将交会对接过程分为远、中和近3个距离段,采用S-curve算法、自适应对数算法和Reinhard算法分别对每个距离段进行调和映射处理;改进了自适应对数算法和Reinhard算法,并基于GPU处理技术实现仿真电视图像的实时显示.实验结果表明,采用基于距离变化调整调和映射算法的方法处理交会对接仿真电视图像可以高逼真地模拟实录视频场景,为航天员手控交会对接训练提供了视景支持.     

基于雷达测距的飞行器交会对接误差补偿控制技术

为解决由视线倾角、视线偏角过大造成的飞行器对接存在误差的问题,实现飞行器交会轨迹的精准对接,提出基于雷达测距的飞行器交会对接误差补偿控制技术。建立空间参考坐标系,根据轨道根数计算结果,推导动力学状态方程,实现对飞行器交会对接过程中的动力学作用分析。按照雷达测距原理,计算飞行器的理论飞行时长及雷达装置作用距离,再联合相关参数指标,确定精度极限的取值范围,实现基于雷达测距的对接误差控制。在三坐标测量机结构模型中,定义飞行位姿拟合条件,再根据位姿误差求解结果,实现对误差参数的补偿修正处理,完成基于雷达测距的飞行器交会对接误差补偿控制方法的设计。对比实验结果表明,应用所提方法可以同时将视线倾角、视线偏角的取值控制在0°-45.0°的数值范围之内,能够较好解决飞行器错误对接的问题,符合精准对接飞行器交会轨迹的实际应用需求。     

Output feedback stabilization of spacecraft autonomous rendezvous subject to actuator saturation

This paper studies the output feedback dynamic gain scheduled control for stabilizing a spacecraft rendezvous system subject to actuator saturation. By using the parametric Lyapunov equation and the gain scheduling technique, a new observer-based output feedback controller is proposed to solve the semi-global stabilization problem for spacecraft rendezvous system with actuator saturation. By scheduling the design parameter online, the convergence rates of the closed-loop system are improved. Numerical simulations show the effectiveness of the proposed approaches.     

An impulse control approach to spacecraft autonomous rendezvous based on genetic algorithms

This paper proposes a novel approach to spacecraft impulse autonomous rendezvous by using genetic algorithms. Based on the Clohessy-Wiltshire (C-W) equations, the whole rendezvous process is described as a switching system composed of closed-loop system and open-loop system, which correspond to the impulse action phase and free motion phase during the rendezvous process. Based on Lyapunov theory, the autonomous rendezvous problem is regarded as an asymptotic stabilization problem. By introducing two virtual energy functions, the stability of the switching system is analyzed, and the duration of the impulse action and the thrust limitation are considered synthetically. Then, a state-feedback controller design method is proposed, and an approach based on linear matrix inequality and genetic algorithm (GA) is proposed to solve the controller design problem and the calculation steps are presented. With the designed controller, the impulse thrust which satisfies the given thrust constraint is determined according to the real-time relative state between two spacecraft at the impulse instant, and the impulse duration is kept as short as possible. The effectiveness of the proposed approach is illustrated by simulation examples.     

非合作交会对接的姿态和轨道耦合控制

航天器与非合作目标进行交会对接时,要求控制器能保证二者不发生碰撞.然而,针对航天器非合作交会对接中的避碰问题,还没有成熟的控制策略.本文以服务航天器体坐标系为参考坐标系建立航天器相对姿态轨道耦合运动模型,利用滑模控制设计了一种姿态轨道耦合控制器实现交会对接.通过利用人工势函数理论和基于蔓叶线的虚拟障碍物模型,控制器可以严格地保证服务航天器运行在安全区域内部,避免与目标航天器碰撞.通过李雅普诺夫理论可以证明系统在控制器的作用下是渐近稳定的.数值仿真进一步说明了所提出的控制器的有效性.     

Robust adaptive backstepping control for autonomous spacecraft proximity maneuvers

The control problem of autonomous proximity phase during rendezvous and docking is studied for a chaser spacecraft subject to parametric uncertainty and unknown external disturbance approaching to a tumbling non-cooperative space target. A coupled relative motion model is established for the autonomous spacecraft proximity missions based on the relative motion information and chaser’s motion information. Based on the cascaded structure of the six degrees-of-freedom coupled model, the backstepping technology combined with element-wise and norm-wise adaptive control methods is used to design a relative position controller firstly, then the same method is also applied to the design of the relative attitude controller. Asymptotic stability is proven uniformly for the six degrees-of-freedom closed-loop system, and the performance of the controlled overall system is demonstrated via a representative numerical example.     

Saturated Adaptive Output-Constrained Control of Cooperative Spacecraft Rendezvous and Docking

This paper investigates the robust relative pose control for spacecraft rendezvous and docking with constrained relative pose and saturated control inputs. A barrier Lyapunov function is used to ensure the constraints of states, so that the computational singularity of the inverse matrix in control command can be avoided, while a linear auxiliary system is introduced to handle with the adverse effect of actuator saturation. The tuning rules for designing parameters in control command and auxiliary system are derived based on the stability analysis of the closed-loop system. It is proved that all closed-loop signals always keep bounded, the prescribed constraints of relative pose tracking errors are never violated, and the pose tracking errors ultimately converge to small neighborhoods of zero. Simulation experiments validate the performance of the proposed robust saturated control strategy.      

Robust hybrid supervisory control for spacecraft close proximity missions

We consider the problem of rendezvous, proximity operations, and docking of an autonomous spacecraft. The problem can be conveniently divided into three phases: (1) rendezvous phase; (2) docking phase; and (3) docked phase. On each phase the task to perform is different, and requires a different control algorithm. Angle and range measurements are available for the entire mission, but constraints and tasks to perform are different depending on the phase. Due to the different constraints, available measurements, and tasks to perform on each phase, we study this problem using a hybrid systems approach, in which the system has different modes of operation for which a suitable controller is to be designed. Following this approach, we characterize the family of individual controllers and the required properties they should induce to the closed-loop system to solve the problem within each phase of operation. Furthermore, we propose a supervisory algorithm that robustly coordinates the individual controllers so as to provide a solution to the problem. In addition, we present specific controller designs that appropriately solve the control problems for individual phases and validate them numerically.     

空间站交会对接的一种智能控制方法与仿真

本文研究了空间站交会对接阶段的仿人智能控制问题，设计了相应的特征模型和控制逻辑，建立了系统的知识库、数据库、规则库和推理机等。最后通过对两个飞行器的空间交会对接过程的数字仿真，验证了所设计的智能控制方案的有效性。