空间控制技术与应用

Select 大型航天结构在轨组装阶段作动器布局优化

邬树楠, 周威亚, 叶哲, 李庆军, 邓子辰

2023, 49(3): 1-9. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2023.03.001

摘要 ( 65 )

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在轨组装阶段的大型航天结构具备“离散渐增”的特点，组装阶段其构型与参数不断改变.与固定构型航天结构不同，如何合理配置作动器以抑制组装过程中的结构振动目前还未见深入研究.针对这一问题，提出一种适用于大型航天结构在轨组装阶段的作动器分布式优化配置方法.根据结构模块化设计的特点，给出大型航天结构组装阶段作动器分布式优化配置的设计思路.建立面向组装阶段作动器布局优化的桁架结构动力学模型，并给出用于优化配置的目标函数.提出结合天牛须搜索的改进粒子群算法，以解决优化配置问题.最后给出在轨组装阶段作动器布局优化的数值仿真.结果表明通过改进的混合粒子群算法实现了大型航天结构在轨组装阶段的作动器分布式最优配置.

Select 面向空间航天器机器人学习算法研究的高保真仿真平台

杜德嵩, 宋以拓, 刘延芳, 王旭, 齐乃明

2023, 49(3): 10-17. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2023.03.002

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针对空间航天器失重服役环境下样本数据少、实验测试难等问题，构建了一个面向空间航天器的机器人学习算法研究的高保真仿真平台.该平台依照机器人学习领域标准的数据交互模式，支持直接调用各类主流机器人学习算法库，以及按照Gym交互模式开发的控制/学习算法；利用微重力模拟系统的实验数据，采用数据驱动的方式构建航天器动力学模型，用于仿真平台中的状态更新；以航天器位置姿态稳定任务为例，在所构建的仿真平台中完成了主流强化学习算法Soft ActorCritic的训练和测试，验证了所构建的仿真平台用于机器人学习算法研究的可行性.

Select 基于Bi-LSTM网络的自由漂浮空间机械臂控制

岳博晨, 贾世元, 王一帆, 程潏, 陈钢

2023, 49(3): 18-27. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2023.03.003

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自由漂浮空间机械臂轨迹跟踪控制受模型不确定性和外部扰动影响。针对该问题, 提出了基于神经网络估计的自适应滑模控制策略. 对模型不确定问题, 采用双向长短期记忆神经网络 (Bi-LSTM) 对空间机械臂模型不确定性进行估计, 其中神经网络的估计方式为离线学习方式. 采用自适应滑模控制解决网络估计中的误差和外部扰动影响. 通过Lyapunov方法证明系统的稳定性, 数值仿真验证控制策略的有效性. 结果表明所提出的新型控制器能够实现低增益下控制性能的有效提升.

Select 事件相机驱动的空间机械臂视觉伺服

李金健, 胡权

2023, 49(3): 28-35. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2023.03.004

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针对空间机械臂携带的传统视觉系统面临图像数据量大、测量延迟高等问题，研究了基于事件相机驱动的空间机械臂视觉伺服控制方法.事件相机是一种低延迟的新型神经形态视觉传感器，具有超高时间分辨率和高动态范围，但其产生的异步事件流数据与传统相机完全不同，需要设计新的算法以适配事件流数据.基于迭代重加权拟合设计了适用于事件流数据的快速圆形特征检测与跟踪算法；发展了适配圆形特征的空间机械臂视觉伺服方法.实验表明提出的检测与跟踪算法在实现高跟踪成功率的同时还具有远超传统视觉算法的检测速度，此外从事件相机获得的高速特征反馈能够驱动机械臂完成更加精确的伺服运动.

Select 基于目标分配策略的空间碎片清除方案设计

杨保臻, 钱霙婧

2023, 49(3): 36-45. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2023.03.005

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空间碎片的数量不断增长导致在轨航天器碰撞事件频发，对人类探索宇宙的航天事业造成了巨大阻碍.分析当前空间碎片分布情况，以较少空间碎片分布密集区域发生的碰撞事件为目标，从在轨碎片中初步选择一组碎片作为清除目标.根据DBSCAN（density based spatial clustering of applications with noise）聚类算法以碎片间所需的燃料消耗作为碎片特征信息，遵循碎片到周边满足燃料消耗要求的碎片数量标准确定碎片核心对象同时划分簇.通过卫星星座中各卫星释放空间飞行器到各碎片附近所需的燃料消耗情况选出与簇数相等的卫星，根据解决指派问题的匈牙利算法确定卫星-碎片簇清除任务，并且空间飞行器可在任务分配的具体簇中实现一对多碎片核心对象的清除任务.

Select 柔性失效卫星能量耗散与运动演化特性研究

盛超, 宋超, 沈红新

2023, 49(3): 46-53. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2023.03.006

摘要 ( 33 )

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随着各国航天活动的不断频繁，在轨失效卫星数量不断增长，为合理规划失效卫星的抢救与维修任务，尽快恢复失效卫星功能，需分析失效卫星的运动演化规律.但目前卫星上往往携带有各类柔性附件，其弹性振动与卫星的姿轨运动存在耦合，在运动演化过程中会不断耗散卫星能量，使卫星运动演化特性与传统刚体卫星不同.本文针对携带柔性附件的失效卫星，建立了适用于长期运动演化分析的姿态振动耦合动力学模型，研究了卫星能量耗散与运动演化趋势之间的关系，并分析了能量耗散速率的影响因素.结果表明卫星初始角速度、柔性附件的安装位置、结构与材料特性对能量耗散速率影响较大，而柔性附件的初始振动状态对能量耗散速率的影响较小.

Select 失效航天器等离子羽流消旋建模与最优制导研究

代洪华, 左宸昊, 赵弘骞, 商崇余

2023, 49(3): 54-63. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2023.03.007

摘要 ( 26 )

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为克服等离子羽流无序性强、动力学模型复杂的问题，使用神经网络建立消旋力矩快速计算模型，实现高效、高精度的消旋动力学解算.针对传统制导律难以处理复杂翻滚目标的弊端，提出章动抑制原则，并建立自旋章动耦合目标的最优羽流指向制导律.仿真结果表明基于神经网络的高效计算模型可在同等精度下大幅度减少力矩计算时间，最优制导律可实现复杂章动目标的快速稳定.本研究从在轨计算与任务执行策略两方面显著提升了消旋效率，为利用等离子羽流的在轨操控任务奠定了理论基础.

Select 高轨光学观测星座构型设计与覆盖率分析

叶吉, 张尧, 张昆鹏, 卢少兆, 王鸿博

2023, 49(3): 64-73. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2023.03.008

摘要 ( 38 )

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空间态势日益紧张使高轨卫星受到来自空间碎片和其他航天器的威胁，建立高轨天基态势感知系统，实现对高轨目标的观测与编目，对保障高轨卫星正常工作意义重大.光学观测和红外观测相比，具有被动无源、能量消耗小、适合长期工作的优势.本文对高轨光学观测星座进行构型设计与覆盖率分析，根据光学载荷成像特性，建立可见性约束模型.以有限时间内非重复目标覆盖率为优化指标，基于分解优化策略，将构型优化设计问题转换成多个单星轨道根数优化问题，利用差分进化(differential evolution, DE)算法优化.通过仿真比较分解优化策略和整体优化策略的效果，结果表明分解优化策略具备更好的全局寻优特性，根据结果分析了观测卫星数量和非重复目标覆盖率的关系，讨论了非重复目标覆盖率的边际效应.

Select 基于脉冲控制的航天器顺光抵近与顺光构型维持

陆鹏飞, 王悦, 石恒, 汤亮

2023, 49(3): 74-84. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2023.03.009

摘要 ( 75 )

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研究对空间目标近距离顺光抵近与顺光构型维持的脉冲控制问题.顺光抵近指航天器保持位置近似位于目标—太阳连线上，对目标实施抵近操作.建立航天器与目标间的近距离相对运动动力学，从几何上定义顺光走廊的概念.通过一种将路径约束转化为点约束的技巧，构建描述顺光抵近过程最优脉冲控制策略的非线性规划(NLP)模型，对模型进行求解获得时间约束下脉冲消耗最小的抵近控制策略.进一步分析目标轨道坐标系下的目标—太阳连线长期变化规律，并提出一种基于控制时刻与控制位置点采样，以及动力学拟合的顺光构型维持脉冲控制方法.数值仿真验证结果表明所提出的顺光抵近与维持控制策略，能够实现航天器在满足顺光走廊约束的前提下完成对目标的顺光抵近与顺光构型维持任务.

Select 轨道平面外直线形绳系编队系统运动状态解析关系

汤毓宁, 余本嵩

2023, 49(3): 85-96. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2023.03.010

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本文研究正交控制力约束下，轨道平面外三星直线排列的绳系编队系统动力学特性.在非惯性坐标系下构建系统动力学模型，其中卫星和两根起连接作用系绳分别简化为质点和无质量弹簧，推导系统状态与系统动力学的解析关系式及对运动形式间临界状态的影响.提出一个三维动力学参数域以展示系统在任意轨道面内动力学，并通过数值仿真进行验证，结果显示解析计算结果与仿真结果完全一致.