空间控制技术与应用

Select 美国高轨天基态势感知技术发展与启示

宫经刚, 宁宇, 吕楠

2021, 47(1): 1-7. doi:10.3969/j.issn.1674-1579.2021.01.001

摘要 ( 344 )

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太空是国家新边疆，太空活动是国家意志和战略意图的重要体现，是国家利益拓展的重要保障，太空安全已成为国家安全的重要组成部分.经略太空感知先行，空间态势感知是指获取和认知空间态势信息，包括空间目标监视和空间环境监测，是进一步开展空间操控和空间对抗的基础.本文首先梳理了美国空间态势感知领域相关条令的发展历程，介绍了美国高轨领域几个典型态势感知项目的实施情况，总结了其中4项关键技术，包括进入空间、自主运行、交会对接导航与控制和多角度立体成像技术.最后，本文从太空态势感知体系建立、天基自主感知系统、发展空间攻防对抗能力几个方面给出了发展建议.

Select 火星环绕器环火轨道的角动量管理方法

信思博, 顾强, 郑艺裕, 赵训友

2021, 47(1): 8-14. doi:10.3969/j.issn.1674-1579.2021.01.002

摘要 ( 107 )

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针对中国首次火星探测的任务需求和规划，结合环绕器质量特性和布局构型以及大椭圆轨道特性，分析了环绕器在环火飞行阶段所受的重力梯度力矩和光压力矩规律.空间干扰力矩累积导致飞轮转速上升，影响姿态机动能力，需要喷气卸载.为减少喷气卸载次数，在满足系统任务的基础上，设计了姿态偏置方案，利用光压力矩和重力梯度力矩相互抵消减少角动量累积.通过仿真表明该方法可以将空间干扰力矩累积量减少70%，节约卸载喷气的燃料消耗，延长航天器寿命.

Select 地球静止轨道混合推进三星库仑编队队形保持控制研究

贺京九, 袁长清, 左晨熠

2021, 47(1): 15-21. doi:10.3969/j.issn.1674-1579.2021.01.003

摘要 ( 114 )

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研究了地球静止轨道处混合推进三星库仑编队队形保持控制问题.首先考虑未知有界相对摄动影响，建立了地球静止轨道处混合推进三星库仑编队动力学方程.然后基于相对运动解析解，设计了投影圆轨道旋转编队构型.最后采用滑模控制方法，设计了控制器并证明其稳定性，用饱和函数对控制器进行了改进，消除了抖振的影响.通过控制编队内部静电力和补充电推力实现对预设队形的保持.仿真结果表明，混合推进方案响应速度快，控制精度高，达到了控制要求.

Select 近圆低轨卫星星座相位保持方法

曾光, 王露莎, 李栋林

2021, 47(1): 22-28. doi:10.3969/j.issn.1674-1579.2021.01.004

摘要 ( 133 )

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主要研究无轨道高度保持要求的近圆低轨卫星星座相位保持方法.首先根据轨道摄动理论，推导了考虑J2摄动和大气阻尼摄动的卫星相位漂移模型，分别给出基于固定基准星和基于虚拟基准星的相位偏差两种表达方法.在此基础上，按照星座各星轨道衰减一致和不一致两种情况，分别提出两种表示方法理论的和考虑实际控制误差的相位保持策略.通过一个walker星座仿真算例验证了两种方法的有效性.仿真结果显示，两种方法在各星轨道衰减一致和不一致两种情况均可有效完成相位维持任务，当各星轨道衰减一致时两种方法在控制次数和控制总量上无明显差异；在各星轨道衰减不一致情况下，基于固定基准星的相位保持策略更优.

Select 基于模糊强化学习的多柔性梁振动控制仿真

邱志成, 杜佳豪

2021, 47(1): 29-39. doi:10.3969/j.issn.1674-1579.2021.01.005

摘要 ( 96 )

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空间机械结构趋向大型化、复杂化、柔性化特点，容易导致残余振动，且残余振动频率低，振动时间长.针对多柔性梁耦合结构残余振动问题，通过有限元法建立了动力学模型，分析了振动特性，呈现密频特性，拍频特征.对于残余振动问题，结合模糊强化学习控制算法，构建模糊规则表，使用ε贪婪法选择每条规则中的动作，进而生成最终的控制电压，与环境交互后获得回报，利用时序差分误差对状态动作价值进行反馈学习.经过训练，控制器收敛于一个模糊控制规则.仿真结果显示模糊强化学习控制器对多柔性梁残余振动快速抑制，验证了模糊强化学习控制算法的有效性.

Select 柔性支撑控制力矩陀螺动力学建模与控制

鲁明, 梁柱林, 徐张凡

2021, 47(1): 40-46. doi:10.3969/j.issn.1674-1579.2021.01.006

摘要 ( 93 )

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针对柔性支撑引起控制力矩陀螺(CMG)框架控制性能下降的问题，建立了柔性支撑条件下控制力矩陀螺的动力学模型，分析了柔性支撑扰动力矩的耦合机理并给出了解析模型.据此，设计了一种积分滑模控制策略，用于提升对CMG框架动力学特性变化和新增扰动力矩的鲁棒性.仿真结果表明，该控制策略相比传统的PID控制具有更好的动态过程和稳态性能，提升了柔性支撑下控制力矩陀螺框架速度的闭环控制性能.

Select 一种基于OPTICS聚类的仅测角导航目标检测算法

王宁, 汪玲, 徐根, 杜荣华, 张翔

2021, 47(1): 47-54. doi:10.3969/j.issn.1674-1579.2021.01.007

摘要 ( 119 )

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仅测角自主导航方法具有设备简单、复杂度低，功耗低的优点，在空间任务中具有广泛的应用前景.针对中远距离下空间目标特征少的特点，提出了一种利用基于OPTICS聚类算法的空间目标检测方法，可用于仅测角导航过程中的目标检测.对原始星图进行预处理提取星点及目标点，并结合星图识别的结果选择部分帧，使用经过改进的OPTICS聚类方法获得目标运动轨迹.最后，使用本文中的算法对软件仿真出的含有目标的高精度星图进行处理验证了算法的可行性.在卫星相对于空间目标抵近过程中，目标检测的水平误差及垂直误差小于0.15°的帧数分别占到了85.4%以及99.6%.相比AVANTI实验中的目标检测方法，减少了在轨任务中相关参数的调节，进一步提升了算法的自主性.

Select 同步轨道通信卫星占频保轨现象分析与实测

郑景辉, 毛银盾, 施娟, 王鲲鹏, 温昌礼

2021, 47(1): 55-62. doi:10.3969/j.issn.1674-1579.2021.01.008

摘要 ( 131 )

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为了应对国际电信联盟对卫星频轨资源的相关规定，卫星运营商可能会选择将卫星送至另一个不同的轨位并连续保持 90 天来启用该位置的频率指配.这种变轨行为称作“占频保轨”，是一些同步通信卫星的常规操作.本文以国际通信组织的 INTELSAT 系列卫星为研究对象，基于双行根数 (TLE) 和SGP4/SDP4模型计算了67个INTELSAT (国际通信卫星) 的自发射以来的轨道数据，提出了基于密度和k最近邻的离群点检测来筛选数据野值的方法，提高了数据准确性；对这些卫星的占频保轨行为进行统计和分析，提出我国卫星运营商应充分利用国际规则，维护自身太空权益的建议.

Select 侧向微重力环境下板式表面张力贮箱内推进剂晃动行为分析

黄滨, 王璐, 陈磊, 刘锦涛, 吴大转

2021, 47(1): 63-69. doi:10.3969/j.issn.1674-1579.2021.01.009

摘要 ( 85 )

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侧向微重力是航天器在轨飞行时在东西位置保持和南北位置保持状态时所处的加速度环境.由于航天器贮箱内推进剂在侧向加速度环境下的重定位过程易产生晃动，因此侧向加速度环境对贮箱内推进剂管理装置(PMD)的管理能力的要求更高.为确保板式贮箱对推进剂的在轨管理能力，需要开展一系列的数值仿真与试验对PMD的管理能力进行验证.本文以板式表面张力贮箱为研究对象，采用VOF两相流模型对侧向微重力环境下重定位过程中贮箱内推进剂的运动进行数值模拟，并对推进剂运动中的晃动行为进行分析.最终，通过数值模拟结果验证了板式表面贮箱的管理能力，为微重力落塔试验与空间站试验提供参考依据.

Select 机械臂的改进区间二型模糊神经网络控制

杨威, 徐拥华, 杨永峰, 胡怡, 佃松宜

2021, 47(1): 70-77. doi:10.3969/j.issn.1674-1579.2021.01.010

摘要 ( 133 )

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针对具有不确定性模型参数的双关节机械臂系统，提出基于改进区间二型模糊神经网络逼近器的自适应反演控制算法.相比于一型模糊系统，区间二型模糊系统由于自身的区间前件和隶属函数，更有效地处理高度非线性系统.然而现有的二型模糊寻找上下输出的交叉点过程中KM迭代算法计算量大、耗时高，使得传统的二型模糊系统不适用于实际控制应用.利用自适应调节因子代替KM迭代算法，在上输出和下输出建立起自适应连接，所采用的改进区间二型模糊神经网络逼近器有效解决双关节机械臂系统中不确定性参数的问题.通过李雅普诺夫方法证明了所有信号的有界性以及闭环系统的稳定性.最后仿真结果表明，基于改进区间二型模糊神经网络逼近器的自适应反演控制器可实现快速响应、更短的稳定时间和更高的跟踪精度.

Select 一种小行星探测陆标导航方法

张成渝, 梁潇, 华宝成, 武延鹏, 王安然, 张依诺

2021, 47(1): 78-86. doi:10.3969/j.issn.1674-1579.2021.01.011

摘要 ( 108 )

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针对小行星探测下降着陆段精确相对导航问题，提出了一种基于Stereophotoclinometry (SPC)陆标的相对导航方法.该方法先采用SPC光照模型渲染陆标的预测图像，再利用双线性插值从观测图像中生成陆标的提取图像.通过组合相关匹配实现预测图像与提取图像的高精度匹配，得到陆标中心点对应观测图像位置，即可利用N点透视(PNP)算法进行相机位姿估计.仿真结果表明，该方法在初始相机位姿偏差较大时也能达到亚像素的图像位置确定精度，并且具有较好的实时性.

Select 一种控制系统故障处理中的互斥设计方法

王裙, 吴培亚, 陈志华, 周中泽, 李光旭

2021, 47(1): 87-92. doi:10.3969/j.issn.1674-1579.2021.01.012

摘要 ( 76 )

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航天器控制系统中多种故障处理均进行推力器切换操作，而推力器切换操作需要多个控制周期来完成，一旦开始执行应不被打断，否则会导致推力器切换错误.针对在短期内先后触发两种及以上故障时可能导致推力器切换时序冲突和推力器切换错误的情况进行了充分分析.提出了一种软件互斥设计方法，解决多种故障短期内交叉耦合触发引起的推力器切换错误问题.测试结果表明，该方法能使单故障和多故障触发的推力器切换操作正确有效.