空间控制技术与应用

Select 一种跳跃式再入鲁棒轨迹规划方法

韩铭麟, 胡军

2022, 48(4): 1-8. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2022.04.001

摘要 ( 76 )

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针对跳跃式再入轨迹对再入点状态偏差及气动参数变化具有鲁棒性的需求，提出一种状态扩维的再入轨迹优化问题建模方法，该方法通过将过程约束转换为等式约束的方式，重新定义了过载约束及动压和热流密度约束，并分别建立了增广再入模型和扩展增广再入模型，保证了多约束条件下再入轨迹优化问题对初值漂移和模型参数扰动的适应能力.数学仿真结果表明：提出的方法对动力学初始状态和气动参数偏差具备强鲁棒性，轨迹的动压、过载和热流密度约束满足设计需求，且精确规划到期望落点.因而具有较好的工程背景和意义.

Select 面向地外天体表面智能感知与操控研究的多源数据集

邢琰, 姜甜甜, 贾永, 刘磊, 杨孟飞

2022, 48(4): 9-16. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2022.04.002

摘要 ( 151 )

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未来的地外天体探测已展现出人工智能的广阔应用前景，探测器可主动感知环境、理解环境，发现高价值目标，进行可靠推理和有效决策，并通过高精度导航和操控实现任务目标. 地外天体表面场景复杂，地形地貌和地质等物理化学特性均无法确知，面向地外天体表面探测的智能感知与操控研究缺少有效的学习训练和测试验证数据集.本文介绍了北京控制工程研究所智能无人系统实验室在地外复杂场景模拟场条件下建立的天衢1.0多源数据集，数据集包含多源环境感知数据、探测器自身状态数据以及场景精准外测数据，能够为地外探测智能感知与操控研究提供研究与验证数据，推动深空探测人工智能理论方法与技术应用研究.

Select 大型挠性天线的主动振动抑制与相对位置控制

冯骁, 汤亮, 关新, 郝仁剑, 张科备

2022, 48(4): 17-26. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2022.04.003

摘要 ( 88 )

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在微波遥感卫星上应用长基线的雷达干涉仪需要对大型挠性天线进行快速的主动振动抑制与高精度相对位置控制，传统的星体姿态控制和阻尼机构已无法满足任务的快速性和高精度要求. 提出一种以高精度相对位姿测量相机为传感器、以高带宽执行的主动指向超静平台为执行机构的主动振动抑制与相对位置控制系统，开展了动力学建模、控制器设计和数学、物理仿真试验研究. 该系统中相机测量天线末端的位移，而主动指向超静平台在天线的根部施加控制作用，因此控制回路具有异位控制的特点. 为此，提出了一种能够实现天线载荷主动振动抑制和位置控制的控制器，其能够为天线的一阶挠性模态提供阻尼作用，同时保持高阶模态的稳定. 控制器具有积分控制+结构滤波器的形式，也可被解释比例积分微分控制器+低通滤波器. 在该控制器的基础上，进一步设计了星体载荷两级控制回路. 通过数学仿真和全物理仿真试验对设计的控制系统在主动振动抑制和位置控制任务中的有效性进行了考核，仿真和试验结果表明，提出的控制方案和控制器能够将大型挠性天线的振动衰减时间缩短1～2个数量级，并为天线载荷提供快速、精确的位置调节能力.

Select 一种基于故障及欠驱动情况的反作用轮配置优化方法

冯佳佳, 谢军, 黎飞

2022, 48(4): 27-35. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2022.04.004

摘要 ( 42 )

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自主控制是航天器控制系统设计追求的一个重要目标.针对在有限配置资源下如何最大程度提高控制系统中执行机构的控制能力这一问题，提出了一种基于故障及欠驱动情况的反作用轮配置优化方法，该方法综合考虑了反作用轮在正常、故障及欠驱动阶段的控制能力.首先，根据反作用轮配置优化的目的对简洁的4轮装反作用轮进行配置优化问题的描述；其次，根据反作用轮在整个寿命阶段可能发生的故障情况，对4轮装反作用轮在故障阶段的控制能力进行具体的分析；然后，根据其在每个故障阶段的控制能力建立反作用轮配置优化模型，从而求解出反作用轮在整个寿命阶段下的最优配置；最后，利用该方法对一工程实例进行配置解析，并针对可能发生故障的3种工作阶段进行仿真验证.仿真结果表明，本文所提出的配置优化方法能够有效实现航天器的自主运行，证明该方法可行和有效，具有一定的工程应用价值.

Select 航天器发射前动基座自对准方法比较研究

龚宇莲, 何英姿, 马楠, 阎师

2022, 48(4): 36-45. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2022.04.005

摘要 ( 53 )

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针对从发射段开始即要求具备全程自主导航能力的航天器，对其发射前惯性姿态自对准方法的应用问题进行研究.针对纯惯导姿态自对准的3种经典方法：解析式粗对准、罗经对准、惯性系对准，分析不同方法在不同应用场景中的适应性，分析惯性敏感器误差特性和噪声特性对算法精度的影响，以箭体微幅晃动为典型工况，基于罗经法中地速增量为零的假设条件，设计一种适应周期性晃动基座的改进罗经对准回路.通过惯性敏感器不同噪声组合的蒙特卡洛打靶仿真，对罗经对准和惯性对准算法的实现情况和精度进行数值验证，为工程实践中的方案选取提供参考.

Select 分布式卫星系统动态任务协同规划算法研究

刘晔伟, 周庆瑞, 黄昊

2022, 48(4): 46-53. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2022.04.006

摘要 ( 107 )

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分布式卫星系统的发展给任务规划带来挑战，传统的集中式任务规划方法越来越难以满足卫星数量多、任务动态、任务量大的需求，同时集中式的方法也存在鲁棒性不足的缺点.本文结合实际工程约束和应用需求，针对通信网络受限的条件，设计了一种基于贪婪算法与合同网协作的分布式卫星系统动态任务规划算法，并针对典型应用场景对算法的有效性进行了仿真验证和分析，结果表明该算法的任务完成度及通信需求都明显低于传统合同网算法，具有较高的工程实用价值.

Select 基于视觉导航的自主小行星弱引力场测量方法

付亮勇, 胡锦昌, 刘一武, 邓家权

2022, 48(4): 54-63. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2022.04.007

摘要 ( 55 )

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针对国际上小行星探测任务中百米量级内不规则小行星的弱引力场确定问题,提出了一种无绕飞轨道的基于视觉导航的引力场测量方法.在完成三维重构后,利用探测器上的光学导航相机每隔一段时间对小行星表面拍照,匹配和识别至少3个非共线的特征点,并测量对应特征点在相机测量系下的视线方向.在完成飞行过程后,通过加权最小二乘批处理算法处理探测器飞行轨迹下的测量数据来估计小行星引力常数和球谐系数,还分析了探测器飞行轨迹的规划问题,分析表明飞行轨迹应根据小行星的形状和质量分布进行规划.最后,对提出的方法进行了仿真验证,结果表明根据该方法通过探测器较少的飞行轨迹即可精确测量出小行星全局引力信息,具有一定的工程实用性.

Select 惯性测量单元参数与姿态对粗对准误差影响分析

王泽国, 王志文, 王华强, 王云鹏, 王磊, 李莹

2022, 48(4): 64-69. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2022.04.008

摘要 ( 76 )

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根据惯性测量单元(IMU)得到静态下粗对准结果，分析IMU参数与地理系姿态对粗对准误差影响.给出理想IMU模型，给出静态下理想IMU角速度和加速度输出结果.考虑IMU参数，包括陀螺漂移、加速度计零偏和安装指向偏差不确定情况下，得到实际估计的IMU输出结果.根据估计结果利用双矢量定姿方法得到IMU本体系相对天东北地理系的自对准结果，并比较估计粗对准结果与理想结果之间误差，给出了误差矩阵的物理意义.针对三种IMU参数工况给出了不同姿态下粗对准误差结果的打靶仿真.最后通过实验结果验证此方法可以用于IMU指标要求符合性分析.

Select 基于自耦PID的三连杆机械臂轨迹跟踪控制

陈丽秋, 曾喆昭

2022, 48(4): 70-77. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2022.04.009

摘要 ( 75 )

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针对三连杆机械臂轨迹跟踪问题，使用了一种自耦PID，即ACPID(auto coupling proportional integration differential)控制方法.该方法将三连杆机械臂各关节已知或未知动态和外部扰动等复杂因素分别定义为3个总扰动，进而将各关节非线性系统映射为未知线性系统，根据ACPID控制理论，为三连杆机械臂系统分别建立3个ACPID控制子系统，以实现各关节的独立跟踪控制.分析了各闭环控制子系统均具备良好的鲁棒稳定性和抗扰动鲁棒性.仿真结果验证了本方法的有效性，在机械臂轨迹跟踪控制领域具有重要的应用前景.

Select 一种提高多探头星敏感器姿态测量精度的方法#br#

程会艳, 郑然, 武延鹏, 张腾飞, 王苗苗

2022, 48(4): 78-85. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2022.04.010

摘要 ( 75 )

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受空间环境等因素影响，多探头星敏感器在轨工作时的探头间相对安装误差存在周期性变化，该误差直接影响了产品融合后姿态的测量精度.为提升产品融合后姿态的测量精度，提出了一种多探头融合姿态计算方法.该方法首先利用多个探头视场内的星点信息作为观测量对探头间安装矩阵误差进行实时估计与补偿，同时基于星点误差特性对安装阵误差估计参数进行修正来提升安装矩阵估计精度，最后设计并采用多视场选星策略选取优质星点的方法进行融合姿态计算，进一步提升安装矩阵估计精度.地面仿真及在轨数据分析结果表明该方法在实现三轴同精度的同时，精度相对于单头提升了30%以上，具有一定的工程应用价值.

Select 伺服电机速度的分数阶滑模容错控制

秦明皇, 陶栩, 佃松宜, 郭斌

2022, 48(4): 86-95. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2022.04.011

摘要 ( 84 )

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针对三相表贴式永磁同步电机发生故障导致伺服系统控制精度下降的问题，提出一种基于在线实时故障估计的分数阶滑模容错控制方法.建立驱动电机故障模型；根据故障模型设计了基于非线性扰动观测器的故障观测器，可在线实时估计驱动电机故障信息.根据观测器观测信息，提出一种驱动电机分数阶滑模容错控制方法，所提出的基于分数阶理论的滑模控制器相比传统滑模控制方法提高了响应速度，具有更小的稳态误差，并减少了传统滑模控制器的抖振现象.最后通过仿真验证了所提控制方法的可行性和有效性.

Select 星载阵列天线型面优化调节方法研究

陈夜, 彭海阔, 李奇, 张如变, 王萌

2022, 48(4): 96-103. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2022.04.012

摘要 ( 55 )

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星载天线的型面精度是保证其工作性能的关键因素.随着天线尺寸的增大，传统的型面精度被动控制方法已难以满足高精度、高分辨率对地观测卫星的需求.本文提出了一种天线型面优化调节方案，在天线背面布置若干作动器作为调节机构，采用优化调节算法分配作动器的位移量，以实现最优的型面精度调节.通过建立一个由温度加载系统、型面测量系统和调节控制系统组成的型面调节模拟试验系统，开展了均温50℃、均温75℃和梯度温度3种温度工况下的型面调节试验.经测试，调节后的天线型面误差降低了60%以上，型面误差RMS值达到30 μm以内，为优化调节技术在卫星型号上的推广应用提供了依据.

Select 基于高斯混合模型的卫星电源系统异常检测方法

魏居辉, 王炯琦, 穆京京, 何章鸣, 周萱影

2022, 48(4): 104-114. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2022.04.013

摘要 ( 84 )

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作为具有多种工作模式的复杂系统，卫星电源系统在不同工作模式下的观测数据具备不同的统计特性.因为卫星电源系统的实际观测数据缺少状态标识作为先验信息，所以传统异常检测方法无法区分系统的不同工作模式，具有较大局限性.针对无状态标识的卫星电源系统异常检测问题，提出了一种基于高斯混合模型(GMM)的异常检测方法.高斯混合模型被用于状态标识缺失数据的特征挖掘，从而实现对不同工作模式的聚类与识别；可区分性、稳定性、以及拟合优良性三个指标被用于GMM的评价，使得聚类簇数的选取是合理的；在异常检测阶段，训练好的高斯混合模型被用于构建了模式识别准则，距离信息和F分布被用于构建了检测阈值，并通过增加待检测数据集窗口长度来提升检测效果；以卫星电源系统的太阳能帆板机构为对象，开展了数值仿真和实验验证.异常检测结果表明，该方法能有效实现多种工作模式下的异常检测，具有较高的准确率和召回率.