空间控制技术与应用

Select 单侧大帆板卫星对日姿态轨迹优化及跟踪控制

于铭晗, 贾英宏

2023, 49(1): 1-10. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2023.01.001

摘要 ( 91 )

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为了减小单侧大帆板卫星长时间对日巡航模式下气动力矩和引力梯度力矩所造成的三轴角动量积累，对该卫星进行对日姿态轨迹优化及跟踪控制研究.建立单侧大帆板卫星的动力学模型和运动学模型；利用高斯伪谱法得到使三轴角动量积累最小的期望姿态轨迹；为使卫星在惯量矩阵不确定和未知干扰力矩的影响下能够跟踪期望姿态轨迹，设计了自适应滑模控制律.该控制律利用自适应律对控制增益进行调节，无需事先确定系统不确定性的上界.仿真结果表明：所设计的控制律能够实现卫星的对日姿态跟踪；相比常用的对日基准坐标系，优化得到的姿态轨迹能够明显减少卫星三轴角动量的积累.

Select 挠性充液航天器复合自适应姿态机动控制

宋晓娟, 李雪松, 何晓东, 吕书锋

2023, 49(1): 11-20. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2023.01.002

摘要 ( 64 )

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主要研究了刚-挠-液耦合航天器的大角度姿态机动问题.将液体燃料的晃动等效为二阶的弹簧质量模型，挠性帆板假设为欧拉伯努利梁，考虑外部未知干扰力矩、系统的状态变量不可见以及姿态机动引起的液体晃动及挠性体振动的抑制问题，结合模糊控制和输入成型技术，设计了一种基于Lyapunov第二法的自适应输出反馈复合控制方法.其中模糊控制器用于动态优化复合控制器内的参数，增强其鲁棒性；多模态的输入成型前馈控制器用于抑制液体晃动和挠性附件振动的位移响应.数值模拟给出了各状态变量的时间历程图，仿真结果显示复合控制器在实现姿态跟踪误差渐近收敛的前提下明显地减小了液体晃动及挠性附件振动的位移响应，验证了本方法的有效性.

Select 基于多目标优化的微纳卫星群姿态控制

缪海斌, 刘鸿瑾, 吕权修, 邵立珍

2023, 49(1): 21-29. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2023.01.003

摘要 ( 92 )

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在微纳卫星群姿态控制中，要求多个卫星相互协同，能够快速达到期望的目标姿态，同时要求能耗最小.本文提出微纳卫星群姿态控制的多目标优化模型，以同时优化卫星姿态的角度误差和降低能耗2个性能指标函数.基于MATLAB用弹性约束法求解该优化问题，得到了多目标优化的帕累托前沿，并给出了其相应的卫星姿态，实现了多个微纳卫星姿态机动控制和协同控制.仿真结果表明本文运用的多目标优化方法在微纳卫星姿态机动控制和协同控制中是有效的.

Select 基于控制力矩陀螺的航天器功率最优姿态控制

李兵科, 于延波, 王蜀泉, 谭永华, 岳文龙

2023, 49(1): 30-39. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2023.01.004

摘要 ( 71 )

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本文研究基于控制力矩陀螺利用零子空间的航天器姿态控制功率优化问题.航天器采用4个为一组的控制力矩陀螺(CMG)作为姿态控制执行机构.对于N-CMG(N≥4)组而言，如非进入奇异构型，控制的解空间存在一维自由度的零运动.利用该自由度，根据设定的功率函数，可通过局部优化算法在零运动空间求解功率最优解.将该功率最优化算法分别应用于姿态跟踪任务与姿态稳定任务，仿真结果表明，这种功率最优算法对姿态稳定任务具有更好的功率优化效果.

Select 全状态约束切换系统的自适应神经网络控制

万敏, 杨山山, 黄山山, 邓启志

2023, 49(1): 40-52. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2023.01.005

摘要 ( 59 )

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为了解决非线性约束切换系统的控制问题，针对一类具有非对称时变全状态约束、状态不完全可测以及未知外部干扰的切换严格反馈非线性系统进行研究，引入状态观测器、自适应神经网络和动态表面控制技术，设计了一种基于径向基函数(RBF)神经网络的自适应输出反馈控制方法.通过采用非对称时变障碍李亚普洛夫函数(barrier lyapunov function,BLF)使系统的全部状态满足非对称时变约束条件，而Lyapunov方法和平均驻留时间理论则保证了闭环系统所有信号是半全局一致最终有界.最后，在所提控制律的作用下，输出跟踪误差可以减小到任意小，2个仿真实验结果也验证了所提控制算法的有效性.

Select 新一代静止气象卫星测定轨技术的发展研究

李欢, 张志清, 王延光, 张亢, 宋宝相, 曲博, 韩琳

2023, 49(1): 53-64. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2023.01.006

摘要 ( 52 )

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中国新一代静止气象卫星—风云四号(FY4)，包括光学和微波探测两种类型的卫星，将呈现多颗卫星同时在轨的状态.测距、轨道确定和预报(称为测定轨)是卫星图像导航、姿态机动和轨道管理的支撑系统，具有高精度和快速响应的特点.针对地面测距定轨系统在发展中表现出来的问题和局限性，以及静止气象卫星采用全球导航卫星系统(GNSS)测定轨的精度和时效性问题，进行了仿真，获得了北斗导航系统(BDS)、全球定位系统(GPS)和它们组合的连续可同时接收的卫星数量、定位精度等参数.分析表明，GNSS测定轨满足新一代静止气象卫星发展要求.

Select 基于改进SSD的无人机航拍目标检测

李国强, 孙英家

2023, 49(1): 65-73. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2023.01.007

摘要 ( 85 )

PDF (7741KB) ( 84 )

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针对无人机航拍图像尺度变化大、识别难度大和目标普遍较小的问题,提出一种基于改进单阶段多框检测器（single shot multibox detector,SSD）的无人机航拍目标检测算法——RCBnet.该算法为了提升网络的特征提取能力，将SSD算法的特征提取网络修改为Resnet 50并采用特征融合的方式，将特征图进行融合，用融合后的特征图构建特征金字塔；为了增强算法对物体的检测能力，设计一种联合注意力机制的多尺度卷积结构来有效调节感受野，实现不同尺寸卷积核对特征图的并行运算；针对训练过程中正负样本极具不平衡的问题，该算法采用Focal Loss损失函数训练网络模型，使其侧重于困难样本.通过与其他经典算法相比可知，所提算法在无人机航拍图像中具有更高的检测精度、更好的检测性能和鲁棒性，相比SSD，精度提高达3.46%.

Select 具有方向约束的多智能体系统的反一致性研究

孔祥磊, 汪芳琴, 钟选明, 鲁中轩

2023, 49(1): 74-81. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2023.01.008

摘要 ( 62 )

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研究了具有方向约束的多智能体系统的反一致性问题.首先假设系统中智能体在一维空间服从单向运动.针对一阶积分器模型，给出了一类反一致性协议的设计方法，系统中所有智能体仅仅通过观测其邻近智能体位置状态，自主分布式的决策和协调控制输入，实现了系统中智能体最终静止并在空间中分散，智能体最终状态满足反一致性要求.针对二阶积分器模型，设计了一类包含自身速度测量的反一致性协议，在设计的控制输入下，实现了二阶多智能体系统避碰并最终达到反一致性状态.最后，将系统从一维空间推广到N维空间.假设多智能体系统在N维空间的第k个坐标轴方向受方向约束，针对一阶积分器模型和二阶积分器模型，给出了一类反一致性协议设计方法.在设计的控制输入下，实现了系统在N维空间最终达到反一致状态.最后，采用Python语言，利用数值仿真例子校验了理论结果的正确性.

Select 非线性欠驱动不稳定系统的自耦PID控制方法

熊屹林, 曾喆昭, 王伟

2023, 49(1): 82-89. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2023.01.009

摘要 ( 82 )

PDF (3416KB) ( 210 )

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针对非线性欠驱动不稳定系统的控制问题，提出了一种基于自耦PID(auto coupling proportional integration differential, ACPID)控制理论的虚拟全驱动控制方法.该方法将每个输入通道的已知或未知内部动态定义为一个总扰动，并在第一个输入通道引入相应的虚拟控制力，从而将非线性欠驱动不稳定系统等价映射为虚拟全驱动的线性扰动系统，并根据ACPID控制理论建立第一个输入通道的虚拟控制器，形成虚拟指令，再根据获得的虚拟指令与ACPID控制理论建立下一个输入通道的控制器，以实现非线性欠驱动不稳定系统的有效控制.仿真结果验证了本文控制理论方法的有效性，在非线性欠驱动不稳定系统控制领域有广泛的应用前景.

Select 基于Simulink的多体机械系统模型转换方法设计与实践

石永康, 王垚, 邹楠, 于超, 李梁, 李鹏

2023, 49(1): 90-97. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2023.01.010

摘要 ( 62 )

PDF (5099KB) ( 165 )

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模块框图作为成熟的图形化建模技术应用十分广泛，采用该技术的MATLAB/SimMechanics可进行多体机械系统的建模和仿真，然而对于建模精度要求高、需要实时仿真的柔性、大型多体机械系统比如空间站来说，SimMechanics有明显不足，而DARTSM软件包可对航天器机械系统进行高精度实时仿真.本文深度解析这两款软件的底层建模技术，根据模型信息的对等关系，设计出模型转换的具体方法，通过C++编程，开发出模型转换程序，从而将航天器多体机械系统的SimMechanics模型转换为DARTSM模型.通过本文的模型转换方法和程序，可以将两款不同软件各自的优点结合到一起，使得SimMechanics间接地拥有处理柔性体和实时仿真的能力，同时也解决了DARTSM软件包缺乏图形化建模界面的问题，具有一定的工程应用价值.

Select 太阳立体探测任务的控制系统设计

胡少春, 林波, 陈守磊

2023, 49(1): 98-104. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2023.01.011

摘要 ( 46 )

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日地平动点L4和L5是太阳观测的理想位置，针对太阳耀斑和日冕物质抛射，提出了一种在日地L4和L5点以及太阳极轨布置4颗探测器的太阳探测构想，实现太阳耀斑和日冕物质抛射的全方位观测.在国内外相关任务调研的基础上，给出了控制系统初步设计方案，并通过仿真验证了关键指标，满足了太阳立体探测任务高精度高稳定度的对日指向需求.

Select 星载激光雷达光路自动调整技术研究进展

张文静, 徐赤东

2023, 49(1): 105-112. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2023.01.012

摘要 ( 72 )

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大气探测激光雷达系统接收与发射光轴的空间平行与否直接影响探测数据的有效性，高精度光路自动调整系统是星载激光雷达实现可靠探测的保障条件之一.基于国际上现有的星载大气探测激光雷达，总结光路调整系统的研究现状、基本原理和常用方法，并从硬件结构和软件算法两方面对常用的回波信号强度法和光斑调整法进行了对比.回波信号强度法结构简单，但调整过程受大气和地表环境影响明显；光斑调整法可实现1μrad的高精度调整，但光路复杂、成本相对更高.总体而言，光路自动调整技术涉及多个学科和领域，结合各个学科的优势，设计出结构简单、高精度低成本的光路调整系统，是未来的发展方向.

Select 一种基于生成对抗网络的卫星异常检测方法

王泽, 姜斌, 程月华, 张香燕, 薛琪

2023, 49(1): 113-120. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2023.01.013

摘要 ( 141 )

PDF (2340KB) ( 140 )

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针对卫星地面测控中心在异常检测时面临的遥测数据不平衡和缺乏异常标签等问题，提出了一种基于时序生成对抗网络的异常检测方法.首先对卫星遥测数据进行预处理，剔除原始数据中的噪声和野值.然后使用长短时记忆网络构建生成模型的生成器和判别器，使得模型可以学习到历史数据的时间依赖关系.采用改进的生成对抗损失函数，使得生成模型在训练时可以保证生成序列与输入序列的潜在空间分布一致.最后，使用残差作为测试序列的异常分数，通过阈值自适应方法判断测试序列是否异常.经真实卫星遥测数据进行实验验证，表明该异常检测方法具有较好的有效性.

Select 模型数据混合驱动的航天器健康监测技术

刘潺, 陈立平, 屈严, 蒋兴沛

2023, 49(1): 121-129. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2023.01.014

摘要 ( 48 )

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针对现有纯数据驱动的航天器健康监测技术不能覆盖非测控弧段，遥测数据有限，无法满足功能复杂化、任务多样化、在轨时间长期化的航天任务需求的问题，提出一种模型和数据混合驱动的航天器健康监测系统架构.该系统以高保真的数字化模型为基础，通过遥测数据与模型的融合，实现对航天器全时间段、连续可靠的状态监控及状态预示.本文对架构中模型实现、遥测数据与模型数据融合、故障诊断等关键技术进行详细描述，并说明在某型号航天器任务过程中的应用验证情况.

Select 基于多滑模控制器融合的高超声速飞行器再入段跟踪控制方法#br#

宋飞飞, 顾金媛, 李萌萌, 王晓冬

2023, 49(1): 130-136. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2023.01.015

摘要 ( 66 )

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针对高超声速飞行器再入段滑模跟踪控制存在的抖振剧烈问题，提出一种基于多滑模控制器融合的跟踪控制方法.该方法采用动力学模型对高超声速飞行器再入过程进行描述，建立高超声速飞行器的攻角、侧滑角和倾斜角跟踪控制方程，结合准二阶连续滑模控制器和超螺旋滑模控制器对再入段进行分阶段的跟踪控制，分别削弱抖振影响，提高跟踪控制性能.通过模型仿真对所提跟踪控制方法的有效性和可行性进行验证，结果表明该控制方法可有效实现高超声速飞行器的轨迹跟踪，在控制力矩响应和姿态角速度跟踪误差积分值上较传统方法具备明显优势，可有效抑制抖振，提升飞行稳定性.