卫星编队飞行动力学与控制仿真软件设计与实现

动力学与控制仿真软件是卫星编队飞行控制原型系统的重要组成部分。讨论了基于Windows操作系统的动力学与控制仿真软件的设计与实现;在对软件进行功能需求分析的基础上,明确了软件设计原则,把软件划分为数据通信、动力学仿真、可视化输出3个模块,给出了各模块的软件设计方案;对软件实现中的关键技术进行了分析。所实现的软件在项目实施中得到了充分应用,取得了较好的仿真效果。     

事件驱动的卫星编队姿态分布式协同控制

星间信息交互是卫星编队姿态协同控制的基础.为降低姿态协同控制对星间交互的信息量,满足资源和通信带宽受限等约束,在卫星编队Euler-Lagrange姿态动力学模型的框架内,提出了一种基于事件驱动的相对姿态分布式自适应控制算法.通过设计含有星间状态偏差、关联矩阵等的事件驱动函数,当该函数值满足条件时触发事件、更新数据,在非触发时间内利用触发时刻的信息设计控制算法,从而将卫星编队姿态一致性协同控制转化为事件驱动控制问题,有效降低了控制输入更新频次及星间信息交互量.基于Lyapunov理论证明了在事件驱动自适应控制器作用下,领航者—跟随者卫星编队系统是全局渐近稳定的.并证明了事件触发时间序列不会产生Zeno现象,即事件触发间隔时间存在下界.进行数值仿真验证事件驱动自适应控制算法的有效性,并将其与传统自适应控制算法相比较,仿真结果表明,所设计的控制算法在保证闭环系统控制性能的前提下,显著降低了控制输入更新频次和星间交互信息量,满足星上能量和星间通信能力等约束.     

非实时控轨编队卫星的相对姿态控制

为了精确指向目标,即确定从星的姿态指向,提出了一种计算期望姿态和期望角速度方法,该算法利用单星在惯性坐标系的位置和速度,不需要星上增加相对姿态测量设备.在此基础上设计了变结构控制器.数值仿真结果表明该方法可以实现准确的期望姿态计算和相对姿态控制.     

考虑避碰约束的编队卫星入网路径规划

提出了一种新的考虑避碰约束的编队卫星入网路径规划策略。首先通过常规编队卫星入网的多脉冲线性规划方法,得到一组卫星入网的脉冲序列,以此预测轨道机动过程中各星之间的最小距离,当最小距离小于安全距离时,将最小距离前后脉冲施加时刻的相对位置作为约束条件,重新规划卫星入网轨迹,迭代进行直到满足避碰要求。仿真结果表明,该方法由于减少了路径规划过程中约束条件的个数,能够快速地规划出考虑避碰约束时的编队卫星入网轨迹,且有效节省燃料消耗。     

编队卫星维持控制燃料消耗均衡方法研究

针对编队卫星维持控制过程中的燃料消耗均衡问题,根据整数规划中的指派问题模型建立性能指标函数,基于卫星之间相对运动的运动学方程确定编队目标状态,利用相对偏心率矢量和倾角矢量求得速度矩阵,采用匈牙利算法求解。仿真结果表明：该方法计算量小,能很好地均衡编队卫星消耗的燃料,可以离线对编队任务进行设计或实时对编队卫星星上自主控制进行规划。     

基于相对轨道根数的卫星编队重构控制研究

针对卫星编队的重构控制问题,利用相对轨道根数描述编队构形,结合高斯摄动方程并利用始末编队构形的振幅和相位,设计了沿航迹三次冲量控制和侧向一次控制的方法,实现了卫星编队的重构控制;最后进行了数值仿真,并分析了沿航迹漂移的修正方法。仿真结果验证了控制策略的简单性和有效性。     

STSS卫星演示验证全程跟踪导弹能力

据美国航天新闻网2011年3月23日报道,由诺.格公司和雷声公司研制的＂空间跟踪和监视系统＂（space tracking and surveillance system,STSS）演示卫星在2011年3月16日进行的试验中首次对一枚弹道导弹的发射和整个飞行过程进行了全程探测跟踪。     

基于模型预测的卫星编队队形机动控制

针对卫星编队队形机动控制推导了一种利用相对平均轨道根数为反馈量的模型预测控制算法。当面质比不同的主从卫星在近地轨道上编队飞行时,大气阻力摄动和J2项摄动是影响编队队形的两个最主要的因素,故先推导了一组包含大气阻力摄动和J2项摄动利用相对平均轨道根数描述的相对动力学方程,然后采用了一种新的基于模型预测的控制算法并讨论了该控制算法在编队飞行队形机动控制中的一些应用问题。该控制算法是一种在线滚动优化控制算法,即使存在各种较大的干扰力和模型的不确定性仍能取得良好的控制效果,且能够较好地解决存在状态约束、控制输入约束等各种约束控制问题。仿真结果表明,该控制算法接近于燃料最优,且能够在各种摄动下把队形机动控制在要求的精度范围内。     

小卫星控制系统半物理仿真验证平台

介绍了小卫星控制系统地面半物理仿真验证平台的系统组成和方案设计,进行了实际控制系统仿真验证.平台以dSPACE实时仿真器为核心,在气浮台上辅以星载计算机、敏感器和执行机构进行仿真验证.该仿真平台能够在部分实物短缺情况下,采用仿真器对这些实物进行功能和电气接口完全模拟,提前进行星体控制系统半物理仿真验证,达到验证目的,降低了仿真成本.该仿真验证平台充分考虑了卫星控制系统实际运行环境,提高了仿真验证的可信度,是卫星半物理仿真有效便捷的工具.     

基于E/I联合隔离的卫星编队飞行安全轨迹设计与控制

研究了偏心率/倾角(E/I)联合隔离方法在卫星编队安全轨迹设计和保持控制中应用。首先,引入E/I矢量和相对E/I矢量,建立了相对E/I矢量描述的相对运动方程。然后,分析了摄动对相对E/I矢量和编队安全性的影响,得到了安全性要求下相对E/I矢量需要满足的条件;推导了E/I联合隔离控制方程,提出了安全轨迹保持控制策略。最后,通过仿真验证了基于E/I联合隔离的安全轨迹设计与控制策略的有效性。     

Nonlinear control of multiple spacecraft formation flying using the constraint forces in Lagrangian systems

Getting inspiration from the constraint forces in the classical mechanics, we presented the nonlinear control method of multiple spacecraft formation flying to accurately keep the desired formation arrays. Considering nonlinearity and perturbation, we changed the question of the formation array control to the Lagrange equations with the holonomic constraints and the differential algebraic equations (DAE), and developed the nonlinear control for design of the follower spacecraft tracking control laws by solv...     

卫星编队飞行的相对姿态控制

使用基于李亚普诺夫的控制方法,研究了双星编队飞行系统的相对姿态控制问题.考虑角速度可测和角速度信息不可测量两种情况,进行了状态反馈和输出反馈的姿态控制算法的设计,并通过李亚普诺夫方法证明了编队飞行系统全局渐近稳定性.最后对给出的算法进行了数值仿真.结果表明,所设计的控制算法实现了编队卫星之间的姿态协同控制,是可行的、有效的.     

角速度及其在机械运动描述中的应用辨析

角速度是在许多领域的机械系统设计与控制中有着广泛应用的一个基本概念。为了正确应用角速度矢量描述物体的转动,文章以质点和刚体为研究对象,基于运动的叠加性、运动的相对性、非惯性系中物体的运动和刚体转动的不同描述方法,提出了相同研究对象的不同速度表达式,分析了角速度的准确含义,并通过两个应用实例,综合分析了矢量转动的角速度、坐标系转动的角速度和刚体转动的角速度等相关公式。结果表明:对角速度物理含义的准确理解是正确描述物体运动状态的基础,在具体问题中,将有关公式有机结合,注重各种方法的比较应用和相互验证,避免因对角速度、基点等的理解偏差而导致的错误。     

多小型飞行器自主编队姿态协同控制方法

针对多小型飞行器空间自主编队姿态协同飞行任务,研究了空间多小型飞行器自主编队在空间干扰影响下的姿态协同控制问题.考虑到编队无法获取外界参考信息,需要进行自主编队的情况,提出一种编队姿态协同控制方法.首先,提出的控制方法基于小型飞行器绝对姿态信息实现编队姿态协同,能够适应多种编队通信拓扑结构,并且对于外干扰力矩具有较强的鲁棒性;然后,根据Lyapunov定理,从理论上证明了闭环系统的稳定性和收敛性;最后,通过数值仿真验证了理论分析结果及所提出控制方法的有效性.研究结果表明,所提出的控制方法能够在干扰力矩作用下,利用小型飞行器绝对姿态信息实现编队姿态协同,且能够适应多种编队构型.     

A stealthy method to determine the relative position and velocity for satellite formation flying

To achieve the satellite formation control and the succeed formation missions, we present a new stealthy method to determine the relative states between formation satellites. In this method, the combination of a CCD camera and laser radar is used as the relative measure sensors. To reduce electromagnetic radiation, the laser radar works intermittently to minimize the probability of being discovered. And an unscented Kalman filter (UKF) is applied to estimate the relative states. The observability of this method is analyzed. The validity and effectiveness of the method is demonstrated in a typical application of formation relative navigation.     

卫星姿轨控实时仿真系统及串口通信建模

为测试星载计算机软件和硬件接口实时性能,采用dSPACE多处理器系统设计了卫星姿态和轨道控制实时仿真系统．介绍了该系统硬件和Simulink模型总体结构．采用Simulink、Stateflow和S函数建立了该系统的关键模型——串口通信接口模型．仿真结果表明设计的实时仿真系统和接口模型是有效的．