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    非合作目標(biāo)追蹤與相對(duì)狀態(tài)保持控制技術(shù)研究

    2010-12-11 06:22:34李克行
    關(guān)鍵詞:航天器軌道衛(wèi)星

    蘇 晏,李克行,黎 康

    (1.北京控制工程研究所,北京 100190;2. 空間智能控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)

    非合作目標(biāo)追蹤與相對(duì)狀態(tài)保持控制技術(shù)研究

    蘇 晏1,2,李克行1,2,黎 康1,2

    (1.北京控制工程研究所,北京 100190;2. 空間智能控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)

    基于考慮J2攝動(dòng)影響的改進(jìn)Hill方程數(shù)學(xué)描述,將最優(yōu)機(jī)動(dòng)問題轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)線性規(guī)劃問題,為在軌服務(wù)系統(tǒng)對(duì)非合作目標(biāo)的接近過程進(jìn)行路徑規(guī)劃,針對(duì)衛(wèi)星跟蹤以及懸停的特殊相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)設(shè)計(jì)控制方法,實(shí)現(xiàn)近距離相對(duì)軌道的精確控制.最后通過數(shù)學(xué)仿真驗(yàn)證方案的正確性和有效性.

    非合作目標(biāo);追蹤;懸停;軌道控制

    當(dāng)前,空間技術(shù)已經(jīng)逐漸成為維護(hù)國(guó)家安全和利益的新軍事制高點(diǎn).空間技術(shù)的發(fā)展正在從空間利用提升為空間操作(或空間控制).在軌服務(wù)系統(tǒng)正是在這種需求下應(yīng)運(yùn)而生的.在軌服務(wù)航天器逐漸被各大航天大國(guó)所接受,開始蓬勃發(fā)展.

    作為在軌服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)之一,近距離下對(duì)空間目標(biāo)(特別是非合作的空間目標(biāo))的追蹤以及相對(duì)狀態(tài)(相對(duì)距離和姿態(tài))的保持,是在軌服務(wù)航天器實(shí)現(xiàn)在軌維護(hù)或維修、對(duì)目標(biāo)進(jìn)行近距離攻擊(干擾、網(wǎng)捕等)的前提,因此有必要深入研究超近距離非合作目標(biāo)追蹤與相對(duì)保持的軌道控制技術(shù).

    當(dāng)在軌服務(wù)系統(tǒng)捕獲目標(biāo)后,需要考慮時(shí)間燃耗、避碰、末端狀態(tài)等約束的情況下設(shè)計(jì)合理的路徑對(duì)目標(biāo)進(jìn)行接近.關(guān)于目標(biāo)接近路徑規(guī)劃以及控制問題,國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者做出過研究. 文獻(xiàn)[1] 用進(jìn)化算法探討了軌道轉(zhuǎn)移的時(shí)間-能量?jī)?yōu)化問題. 文獻(xiàn)[2]討論了有限推力作用下時(shí)間和能量綜合最優(yōu)攔截軌道的近似解析解問題.

    在軌服務(wù)系統(tǒng)任務(wù)中,有時(shí)需要在軌服務(wù)系統(tǒng)在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)保持在目標(biāo)星軌道附近,這樣在軌服務(wù)航天器仿佛“懸?!痹谀繕?biāo)星的某個(gè)方位.也有很多國(guó)內(nèi)外有關(guān)懸停技術(shù)方面的研究.如任務(wù)衛(wèi)星在圓軌道衛(wèi)星正下方進(jìn)行懸停的動(dòng)力學(xué)與控制方法研究[3],相對(duì)圓軌道目標(biāo)衛(wèi)星進(jìn)行任意位置懸停的方法研究等[4].以上研究工作主要是針對(duì)無攝動(dòng)的圓軌道衛(wèi)星的懸停進(jìn)行討論的.

    本文在考慮攝動(dòng)影響下引入動(dòng)力學(xué)模型,重點(diǎn)研究目標(biāo)接近的路徑規(guī)劃與控制問題. 針對(duì)懸停狀態(tài)下超近距離控制保持的問題設(shè)計(jì)相對(duì)軌道控制算法實(shí)現(xiàn)了近距離懸停的相對(duì)軌道精確控制.

    1 相對(duì)軌道動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)描述

    假設(shè)目標(biāo)星運(yùn)行于圓軌道,選擇參考軌道坐標(biāo)系的原點(diǎn)o位于目標(biāo)星上;x軸沿在軌服務(wù)器與地心連線背向地心方向;z軸與瞬時(shí)軌道的法線平行;y軸與x、z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系,如圖1所示.

    圖1 參考軌道坐標(biāo)系

    對(duì)懸停軌道進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)過程中,精確模型和Hill模型都不適用.雖然精確模型的建立過程不會(huì)丟失信息,但其非線性的表達(dá)形式給動(dòng)力學(xué)分析和控制律設(shè)計(jì)帶來很大不便.對(duì)模型進(jìn)行引力項(xiàng)線性化可以得到模型的解析解,線性化的Hill方程應(yīng)用非常廣泛.但懸??刂仆枰谳^長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持,在各種攝動(dòng)項(xiàng)的作用下,星間相對(duì)位置難以長(zhǎng)期保持.

    考慮到J2項(xiàng)攝動(dòng)為星間相對(duì)運(yùn)動(dòng)中的主要攝動(dòng)項(xiàng),對(duì)懸??刂破鬟M(jìn)行設(shè)計(jì)過程中采用考慮J2攝動(dòng)的改進(jìn)Hill方程作為控制對(duì)象模型是比較合適的.

    考慮J2攝動(dòng)的改進(jìn)Hill方程數(shù)學(xué)描述如下[5]:

    dz=2lqcos(qt+φ),

    q=

    Φ(t)=arccos(cosirefcosisat-sinisatsinirefcosΔΩ(t)),

    dc=2Ancarefcosαcsinθref,

    2 接近路徑規(guī)劃

    采用零階保持器將模型離散化,得到如下離散動(dòng)力學(xué)模型:

    上述離散模型仍是θ域中等間隔采樣,對(duì)應(yīng)于時(shí)域中的采樣周期則是非均勻的.于是,最優(yōu)控制問題可以描述為:給定的初始x0和末端目標(biāo)狀態(tài)x*,求脈沖序列uk和機(jī)動(dòng)時(shí)間T使得

    其中C為加權(quán)陣,并且滿足如下約束條件:

    其中ε為末端狀態(tài)誤差盒矢量,Lb和Ub分別為推力器大小的上下限.

    將上述最優(yōu)控制問題轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的線性規(guī)劃問題.由式(5)可得

    x1=A0x0+B0(u0+d0),

    x2=A1x1+B1(u1+d1)=A1A0x0+A1B0(u0+d0)+B1(u1+d1),

    ?

    Ap=[AN-1AN-2…A0],

    Bp=[[AN-1AN-2…A1]B0[AN-1AN-2…A2]B1…BN-1],

    up=[u0u1…uN-1]T,

    dp=[d0d1…dN-1]T,

    則有

    而期望末端時(shí)刻

    將式(7)代入式(8),則可寫作

    因此,對(duì)于固定機(jī)動(dòng)時(shí)間跨度,最優(yōu)機(jī)動(dòng)控制問題可以描述為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)線性規(guī)劃問題:給定的初始和末端狀態(tài),求滿足式(4)的脈沖序列uk的幅值,并且滿足如下約束條件:

    這樣一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的線性規(guī)劃問題,其求解算法很多.

    上述問題求解中,每一個(gè)采樣點(diǎn)的輸入uk都是優(yōu)化變量,計(jì)算量過大,如果采用加大采樣周期的方法縮減優(yōu)化變量,將會(huì)降低離散模型的精度.實(shí)際上,過多的噴氣還會(huì)造成推力器劣化的問題.因此,工程實(shí)際上往往采用有限數(shù)量的脈沖,即在初始時(shí)刻和末端時(shí)刻,分別作用一個(gè)脈沖,而其余的脈沖在機(jī)動(dòng)過程中施加.

    3 懸??刂扑惴?/h2>

    根據(jù)任務(wù)規(guī)劃,在軌服務(wù)航天器有可能需要在目標(biāo)星附近懸停,并且方位可能是任意的.研究在軌服務(wù)航天器的軌道懸停技術(shù)為空間操作(在軌維修、空間攻防等)任務(wù)提供了新的技術(shù)手段.懸停軌道是一種衛(wèi)星的相對(duì)運(yùn)動(dòng)特例,下面對(duì)懸停狀態(tài)下的相對(duì)軌道控制做出分析.

    相對(duì)軌道動(dòng)力學(xué)方程矩陣形式如下:

    考慮制導(dǎo)過程三軸控制力定常的情況,分別設(shè)定三軸滑動(dòng)面:

    其中,kx1、kx2、ky1、ky2、kz1、kz2均為大于零的控制參數(shù),顯然三軸滑動(dòng)面穩(wěn)定.

    另外給定三軸控制律,

    其中,ax、ay和az為航天器三軸方向能提供的控制加速度,均為定值.

    由此,可得到達(dá)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定的條件為

    同理可得控制律使到達(dá)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定的充分條件如下:

    由于各種誤差的存在,系統(tǒng)會(huì)在滑動(dòng)面附近發(fā)生顫振,控制力輸出也會(huì)正負(fù)高頻切換,因此通常設(shè)定推力器的開關(guān)機(jī)閥值來避免顫振.具體地,仍然以x軸方向?yàn)槔?,設(shè)定推力器開機(jī)閥值Δx1和關(guān)機(jī)閥值Δx2(Δx1>Δx2>0),設(shè)計(jì)如下控制律:

    圖2 推力器開關(guān)機(jī)閥值

    相應(yīng)的,也可以設(shè)定y軸的開機(jī)閥值Δy1和關(guān)機(jī)閥值Δy2(Δy1>Δy2>0),z軸的開機(jī)閥值Δz1和關(guān)機(jī)閥值Δz2(Δz1>Δz2>0),并給出類似控制律避免顫振.

    4 數(shù)學(xué)仿真

    (1)接近路徑規(guī)劃仿真

    目標(biāo)點(diǎn)的相對(duì)位置誤差盒為[1 1 1]m,相對(duì)速度誤差盒為[0.1 0.1 0.1]m/s.從工程實(shí)際出發(fā),總的脈沖數(shù)選為2~4個(gè).仿真結(jié)果如圖3~圖5.

    圖3 最優(yōu)機(jī)動(dòng)接近過程

    圖3給出了相對(duì)接近路徑仿真圖,圖4和圖5分別給出接近過程中相對(duì)位置以及和相對(duì)速度的變化情況.仿真結(jié)果表明,在軌服務(wù)航天器能夠?qū)Ψ呛献髂繕?biāo)很好的實(shí)現(xiàn)路徑接近.

    圖4 最優(yōu)機(jī)動(dòng)下服務(wù)航天器相對(duì)位置曲線

    (2)懸??刂品抡?/p>

    假設(shè)在軌服務(wù)航天器相對(duì)目標(biāo)星軌道系初始位置坐標(biāo)為[x0y0z0]=[-34.9 32.5-242.2]m,期望其懸停點(diǎn)在目標(biāo)星軌道系中的坐標(biāo)為[xfyfzf]=[-5 5 0]m;相對(duì)相對(duì)速度保持不變.由于仿真條件的限制,此處仿真周期選取較小.仿真結(jié)果如下圖.

    圖6 懸??刂葡路?wù)航天器斜面內(nèi)運(yùn)動(dòng)

    圖7 懸??刂葡路?wù)航天器軌道斜方向運(yùn)動(dòng)

    圖8 懸停過程中相對(duì)速度隨時(shí)間變化歷程

    圖7和圖8給出的仿真結(jié)果表明,本文所設(shè)計(jì)的控制算法可以達(dá)到較高的相對(duì)位置控制精度.相對(duì)位置控制精度優(yōu)于0.5m,相對(duì)速度控制精度優(yōu)于0.1m/s,整個(gè)過程燃料消耗9.2165m/s.

    5 結(jié) 論

    本文將在軌服務(wù)系統(tǒng)對(duì)非合作目標(biāo)的最優(yōu)機(jī)動(dòng)控制問題描述為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)線性規(guī)劃問題,通過線性規(guī)劃優(yōu)化方法,對(duì)在軌服務(wù)系統(tǒng)的接近路徑進(jìn)行優(yōu)化并能夠確定相應(yīng)的燃耗.對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的一種特例目標(biāo)懸停進(jìn)行控制器設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了近距離目標(biāo)懸停相對(duì)軌道的精確控制,為在軌服務(wù)系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)支持.

    [1] 王石,祝開建,戴金海.用進(jìn)化算法求解軌道轉(zhuǎn)移的時(shí)間-能量?jī)?yōu)化問題[J].宇航學(xué)報(bào),2002,23(1):73-75

    [2] 王會(huì)利.空間作戰(zhàn)攔截軌道設(shè)計(jì)與優(yōu)[D].西北工業(yè)大學(xué),2007

    [3] 林來興,黎康.衛(wèi)星對(duì)空間目標(biāo)懸停的軌道動(dòng)力學(xué)與控制方法研究[J].中國(guó)空間科學(xué)技術(shù),2008,28(1):9-12

    [4] 閆野.衛(wèi)星相對(duì)空間目標(biāo)任意位置懸停的方法研究[J].中國(guó)空間科學(xué)技術(shù),2009,29(1):1-5

    [5] Samuel A,Raymond J. Development and analysis of a high fidelity linearizedJ2model for satellite formation flying[C].AIAA Space 200.-Conference and Expositon, Albuquerque, Aug 2001

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    [9] Albert J. Coplanar two-impulse rendezvous in general elliptic orbit with drag[J].The Journal of Astronautical Sciences, 1997,45(4): 391-409

    [10] Nguyen X. Exact analytical solution for three-dimensional interception of a maneuvering target[J]. The Journal of Astronautical Sciences ,1998,46(3):283-305

    [11] 林來興.四十年空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)的發(fā)展[J]. 航天器工程,2007,16(4):70-77

    《空間控制技術(shù)與應(yīng)用》2010年總目次

    第1期

    論文與報(bào)告

    冗余飛輪姿控系統(tǒng)控制分配與重構(gòu)研究

    趙 陽,張大偉,田 浩(1)

    具有非線性輸入的撓性充液航天器自適應(yīng)模糊控制

    王佐偉,郭建新,董海鷹(7)

    脈沖星導(dǎo)航的整周模糊度解算方法研究

    黃 震,李 明,帥 平(14)

    撓性衛(wèi)星PID受控系統(tǒng)特征頻率

    李麗瓊,茍興宇(19)

    轉(zhuǎn)動(dòng)慣量未知的非合作目標(biāo)角速度估計(jì)方法研究

    劉智勇,何英姿,劉 濤(24)

    衛(wèi)星綜合軟件的體系結(jié)構(gòu)研究

    王 磊,袁 利(31)

    動(dòng)態(tài)情況下星敏感器探測(cè)靈敏度研究

    李 曉,趙 宏,盧 欣(37)

    短文

    系統(tǒng)噪聲對(duì)撓性衛(wèi)星姿態(tài)控制穩(wěn)定性能的影響

    談樹萍,雷擁軍,湯 亮(42)

    一種空間交會(huì)繞飛段的小推力滑移制導(dǎo)方法

    劉魯華,鄭 偉,湯國(guó)建(46)

    基于VxWorks的小天體撞擊任務(wù)的星載GNC軟件設(shè)計(jì)

    高 艾,崔平遠(yuǎn),崔祜濤(51)

    基于混合編程技術(shù)的AOCC應(yīng)用軟件快速仿真平臺(tái)

    張 銀,索旭華,郭明姝(56)

    基于準(zhǔn)滑??刂频目臻g攔截末制導(dǎo)律設(shè)計(jì)

    王國(guó)梁,鄭建華(59)

    第2期

    論文與報(bào)告

    深空光學(xué)敏感器“拖尾圖像”的處理方法研究

    毛曉艷,王大軼,辛優(yōu)美,等(1)

    僅有相對(duì)視線角測(cè)量時(shí)的橢圓軌道交會(huì)相對(duì)導(dǎo)航分析

    劉 濤, 解永春(6)

    太陽帆板驅(qū)動(dòng)裝置建模及其驅(qū)動(dòng)控制研究

    斯祝華,劉一武,黎 康(13)

    自旋衛(wèi)星測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)精度分析

    陶景橋,孫小松,李 明(20)

    一類帶液體晃動(dòng)航天器的姿態(tài)控制

    杜 輝,張洪華(25)

    基于單目視覺的空間非合作目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)

    張勁鋒,蔡 偉,孫承啟(31)

    航天計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)技術(shù)綜述

    湯 生(36)

    短文

    一種基于2DOFH∞控制器的航天器姿態(tài)控制方法

    梁紅義,張錦江(42)

    一種用于分析MCS-51目標(biāo)碼堆棧深度的方法

    張西超,郭向英(47)

    總線容錯(cuò)機(jī)制及其驗(yàn)證方法

    高 猛(51)

    三類自激變換器及其解析結(jié)果

    孫定浩(55)

    大磁矩磁力矩器驅(qū)動(dòng)電路的一種設(shè)計(jì)方案

    范佳堃,王友平,崔赪旻(58)

    第3期

    論文與報(bào)告

    面向復(fù)雜航天器控制應(yīng)用的模糊動(dòng)態(tài)特征建模與控制

    羅 熊,孫增圻,顏時(shí)雨(1)

    基于Allan方差法的光纖陀螺建模與仿真

    熊 凱,雷擁軍,曾海波(7)

    帶多個(gè)充液儲(chǔ)箱航天器的耦合動(dòng)力學(xué)建模方法

    黃 華,曲廣吉(14)

    V型輪控系統(tǒng)衛(wèi)星東西位置保持策略優(yōu)化方法研究

    孫海忠,仇夢(mèng)躍,趙育善,等(20)

    航天器氣動(dòng)力輔助軌道轉(zhuǎn)移軌跡優(yōu)化問題研究

    張萬里,王常虹,夏紅偉,等(26)

    自適應(yīng)兩級(jí)UKF算法及其在時(shí)變偏差估計(jì)中的應(yīng)用

    程會(huì)艷,郝云彩,熊 凱(33)

    短文

    基于FPGA的空間電子部件在軌可修改技術(shù)

    范松濤 ,徐 陽(38)

    星敏感器導(dǎo)航星表建立

    田 宏,林 玲,郝永杰,等(43)

    軟件回歸測(cè)試用例選取方法研究

    王小麗,段永顥(47)

    一種雙目立體視覺相機(jī)標(biāo)定方法

    李春艷,王 立,盧 欣,等(51)

    一種板式推進(jìn)劑管理裝置(PMD)性能的數(shù)值仿真

    胡 齊,李 永,耿永兵,等(55)

    基于32位SPARC處理器的JTAG仿真器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

    張曉靜,華更新,劉超偉,等(59)

    第4期

    論文與報(bào)告

    飛向暈軌道的探測(cè)器軌道優(yōu)化

    胡少春,孫承啟,劉一武(1)

    行星探測(cè)器GNC系統(tǒng)自主安全模式設(shè)計(jì)

    楊 巍,黃江川,王曉磊(6)

    基于特征模型的再入飛行器制導(dǎo)律設(shè)計(jì)

    張 釗, 胡 軍, 王 勇(12)

    包含密集模態(tài)的空間結(jié)構(gòu)的模糊主動(dòng)振動(dòng)控制

    劉瀟翔,胡 軍(18)

    基于并聯(lián)貯箱結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星推進(jìn)劑剩余量測(cè)量方法

    魏延明,宋 濤,梁軍強(qiáng)(25)

    一類衛(wèi)星推力器布局的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

    林 波,武云麗(31)

    復(fù)雜推力器配置控制能力的性能指標(biāo)及其應(yīng)用

    王 敏,解永春(36)

    短文

    接口電路中的抗干擾技術(shù)

    李秀蓮,孫定浩(42)

    一種高穩(wěn)定度太陽帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制方法

    張 猛,祝曉麗,陸嬌娣,等(46)

    “人在回路”的載人航天器控制系統(tǒng)地面驗(yàn)證平臺(tái)設(shè)計(jì)

    任 焜,李 彬,李志宇(50)

    衛(wèi)星編隊(duì)飛行相對(duì)軌道動(dòng)力學(xué)模型的比較及選用

    蘇 晏,黎 康(54)

    基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)逆的動(dòng)力傘飛行控制方案

    錢克昌,陳自力,李 建(59)

    第5期

    論文與報(bào)告

    多沖量近圓軌道交會(huì)的快速打靶法

    王 翔,龔勝平,寶音賀西,等(1)

    一類非線性網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的魯棒故障檢測(cè)

    何 瀟,王子棟,吉吟東,等(7)

    航天器可測(cè)試性設(shè)計(jì)研究

    李 彬,張 強(qiáng),任 焜,等(13)

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    SU Yan1,2, LI Kehang1,2, LI Kang1,2

    (1.BeijingInstituteofControlEngineering,Beijing100190,China;2.ScienceandTechnologyonSpaceIntelligentControlLaboratory,Beijing100190,China)

    Based on the improved Hill equation in consideration of theJ2disturbance, the optimal maneuvering problem is converted into a standard linear programming problem a path is programmed for on-orbit servicing system approaching to an uncooperative object. Based on the special relative motion of tracking and hovering, a control method is designed to achieve relative orbit control accurately. Finally, validity and effectiveness are verified by mathematic simulation.

    uncooperative object;tracking;hovering;orbit control

    2010-07-28

    蘇晏(1987—),女,河北人,碩士研究生,研究方向?yàn)榭刂评碚撆c控制工程 (e-mail: yamsu11@hotmail.com).

    V4

    A

    1674-1579(2010)06-0051-05

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