时滞与未知扰动下航天器时变编队最优协同跟踪

1

作者 岳晓奎 魏铂淞 +2 位作者 党朝辉 代洪华 吕茂隆 《宇航学报》 北大核心 2025年第4期753-764,共12页

针对航天器编队实现快速低能耗构形恢复与保持的需求,研究编队在通讯时滞与未知扰动下的构形跟踪问题,提出一种抗扰时滞最优协同控制器。为进一步缩短构形恢复时间并降低编队总体燃料消耗,基于构形标称连边与实时连边之间的边误差,以编... 针对航天器编队实现快速低能耗构形恢复与保持的需求,研究编队在通讯时滞与未知扰动下的构形跟踪问题,提出一种抗扰时滞最优协同控制器。为进一步缩短构形恢复时间并降低编队总体燃料消耗,基于构形标称连边与实时连边之间的边误差,以编队构形的连边为对象引导编队协同;进而设计了融合“边误差”与“控制耦合”的时滞非线性性能指标,通过构造不变流形实现对该非线性指标最优解的渐进逼近,建立了动态最优反馈控制器;同时通过扰动观测设计前馈控制实现扰动抑制。稳定性分析证明,该方法能够保证航天器编队构形跟踪误差的闭环一致最终有界;仿真校验表明,提出的时滞最优协同控制器能够在通信时滞与未知扰动下有效降低编队构形跟踪的时间花费与燃料消耗。 展开更多

关键词 航天器编队 最优协同 通讯时滞 扰动抑制

在线阅读 下载PDF 职称材料

基于Lissajous中转站的低能转移轨道设计与应用

2

作者 余会昌 代洪华 +3 位作者 张继烨 王亚敏 岳晓奎 张永合 《西北工业大学学报》 北大核心 2025年第2期212-221,共10页

Lissajous轨道是一类拟周期轨道,其形状选择丰富更具任务灵活性,且轨道保持所需消耗较小,因此可作为未来构建地月空间航班化运输网络的中转站轨道。从近地轨道至Lissajous中转站的低能转移轨道设计是构建经济可持续运输体系的基础。然而... Lissajous轨道是一类拟周期轨道,其形状选择丰富更具任务灵活性,且轨道保持所需消耗较小,因此可作为未来构建地月空间航班化运输网络的中转站轨道。从近地轨道至Lissajous中转站的低能转移轨道设计是构建经济可持续运输体系的基础。然而,目前基于Lissajous中转站的低能转移轨道特性尚不明确,且对于不变流形距离月球较远的中转站轨道,以往设计方法中采用的脉冲入轨策略对节能效果提升不够明显。针对以上问题,提出了结合流形拼接与月球借力的三脉冲低能转移设计方法,利用分段求解降低了优化问题的维度,并采用双层优化获得最优解。仿真结果表明所提出的设计方法在部分轨道入轨点可降低18~400 m/s左右的脉冲消耗,有效拓宽了可选入轨点的范围,且该方法对于大幅值Lissajous中转站轨道同样具有适用性。重点研究了借力方位角、借力高度、入轨点位置和其他天体引力等对转移轨道特性的影响,对于未来地月空间航班化运输网络的中转站轨道选取、发射窗口和入轨点等参数设计具有重要参考价值。 展开更多

关键词 航班化 Lissajous轨道 不变流形 轨道优化 轨道特性

在线阅读 下载PDF 职称材料

地月平动点小推力多目标交会任务设计与分析

3

作者 宋亮俊 杜崇瑞 +2 位作者 王亚敏 岳晓奎 代洪华 《宇航学报》 北大核心 2025年第3期568-579,共12页

针对未来地月空间中平动点周期轨道上的多航天器在轨服务需求,首次探讨了平动点附近的小推力多目标交会问题。首先,建立了多目标交会的混合整数规划模型。其次,给出了周期轨道上小推力航天器交会轨迹的求解流程,并提出了一种基于截断策... 针对未来地月空间中平动点周期轨道上的多航天器在轨服务需求,首次探讨了平动点附近的小推力多目标交会问题。首先,建立了多目标交会的混合整数规划模型。其次,给出了周期轨道上小推力航天器交会轨迹的求解流程,并提出了一种基于截断策略的平动点交会轨迹数据库生成方法;在该方法的基础上,结合改进蚁群算法(ACO)和遗传算法(GA)分两阶段优化,获得最优的交会序列和交会时间。最后,将上述方法应用于对称南北Halo轨道上均匀分布的多颗卫星交会任务的算例仿真。研究结果不仅表明截断策略能够在保证求解结果最优性的前提下降低数据库体量和生成耗时,还揭示了交会优先级与目标相位差之间关系,为未来平动点航天器的在轨服务规划及在轨组装等任务提供技术支撑。 展开更多

关键词 多目标交会 圆型限制性三体模型(CRTBP) 地月空间 地月平动点轨道 小推力

在线阅读 下载PDF 职称材料

重构谐波平衡法及其求解复杂非线性问题应用 被引量：1

4

作者 代洪华 王其偲 +1 位作者 严子朴 岳晓奎 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第1期212-224,共13页

谐波平衡法是求解非线性动力学系统周期解的最常用方法,但对非线性项进行高阶近似需要庞杂的公式推导,限制了该方法的超高精度解算.通过对频域非线性量的时域等价重构,提出了重构谐波平衡法(RHB法),解决了经典谐波平衡法超高阶次计算难... 谐波平衡法是求解非线性动力学系统周期解的最常用方法,但对非线性项进行高阶近似需要庞杂的公式推导,限制了该方法的超高精度解算.通过对频域非线性量的时域等价重构,提出了重构谐波平衡法(RHB法),解决了经典谐波平衡法超高阶次计算难题.然而,上述两种方法均要求动力学系统为多项式型非线性,且无法直接用来求解非线性系统的拟周期解.针对上述问题,文章提出一种将RHB法和复杂非线性系统等价重铸法相结合的计算方法,首先将一般非线性问题无损重铸为多项式型非线性系统,然后用RHB法进行高精度求解;针对拟周期响应求解问题,提出基于“补频”思想的RHB方法,通过基频的优化筛选,实现拟周期响应的快速精准捕捉.选取非线性单摆、相对论谐振子和非线性耦合非对称摆等典型系统进行仿真计算,仿真结果表明,所提出的RHB-重铸法在解非多项式型非线性系统的稳态响应时精度保持为10^(-12)量级,达计算机精度,远超现有方法水平.补频RHB法则实现了对拟周期问题的高效解算,拓宽了方法对真实物理响应的求解范围. 展开更多

关键词 非多项式型非线性系统 重构谐波平衡法 微分方程重铸 非线性单摆 拟周期响应

在线阅读 下载PDF 职称材料

在轨服务中的仿生抗冲击结构研究 被引量：5

5

作者 王鑫 岳晓奎 +1 位作者 代洪华 袁建平 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第8期1000-1007,共8页

针对在轨服务航天器末端执行器在抓捕目标时由于速度不匹配而产生的振动问题,本文受自然界中高速奔跑的袋鼠腿部结构启发,将嵌套仿生X形结构安装在服务航天器机械臂和抓捕机构之间,来抑制由碰撞所产生的抓捕后振动。通过对此系统在受到... 针对在轨服务航天器末端执行器在抓捕目标时由于速度不匹配而产生的振动问题,本文受自然界中高速奔跑的袋鼠腿部结构启发,将嵌套仿生X形结构安装在服务航天器机械臂和抓捕机构之间,来抑制由碰撞所产生的抓捕后振动。通过对此系统在受到外冲击力下进行建模分析,并与传统的弹簧质量阻尼器和单层仿生X形结构的隔振性能进行对比,仿真结果表明,此嵌套仿生X形结构隔振系统具有更好的振动隔离效果,能够更加有效地抑制航天器抓捕后振动。 展开更多

关键词 在轨服务 嵌套仿生X形结构 振动隔离 冲击力

在线阅读 下载PDF 职称材料

失效航天器等离子羽流消旋建模与最优制导研究 被引量：1

6

作者 代洪华 左宸昊 +1 位作者 赵弘骞 商崇余 《空间控制技术与应用》 CSCD 北大核心 2023年第3期54-63,共10页

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... 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. 展开更多

关键词 失效航天器 消旋 等离子羽流 神经网络 最优制导律

在线阅读 下载PDF 职称材料

失效航天器非接触式消旋技术发展综述 被引量：3

7

作者 赵弘骞 左宸昊 +3 位作者 岳晓奎 肖余之 陈欢龙 代洪华 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第12期1797-1809,共13页

对失效航天器非接触式消旋领域内的研究成果进行了综述,梳理了非接触式消旋的特点,并聚焦于系统动力学模型、消旋方法和关键技术等方面。首次将非接触式消旋方法按照其作用机理分为电磁式消旋和冲击式消旋两类,并分别总结了其技术特点... 对失效航天器非接触式消旋领域内的研究成果进行了综述,梳理了非接触式消旋的特点,并聚焦于系统动力学模型、消旋方法和关键技术等方面。首次将非接触式消旋方法按照其作用机理分为电磁式消旋和冲击式消旋两类,并分别总结了其技术特点和适用的任务场景。而后针对消旋任务的实践需求,系统阐释了非接触消旋中制导与控制、高性能星载计算等关键技术。最后,面向复杂空间任务和智能化消旋操控的需求,提出了非接触式消技术中4个值得研究的问题和方向。有望为未来失效航天器在轨维护和非接触式消旋技术的发展提供借鉴和参考。 展开更多

关键词 失效航天器 太空垃圾 在轨操作 动力学建模 非接触式消旋

在线阅读 下载PDF 职称材料

初值约束与两点边值约束轨道动力学方程的快速数值计算方法 被引量：6

8

作者 张哲 代洪华 +2 位作者 冯浩阳 汪雪川 岳晓奎 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第2期503-516,共14页

轨道动力学快速计算是航天工程中的基础问题,广泛存在于轨道设计、空间抓捕以及深空探测等任务中.基于有限差分原理的经典数值积分算法,由于精度严重依赖小积分步长,难以满足航天器在轨快速计算需求.针对该问题,提出一种局部配点反馈迭... 轨道动力学快速计算是航天工程中的基础问题,广泛存在于轨道设计、空间抓捕以及深空探测等任务中.基于有限差分原理的经典数值积分算法,由于精度严重依赖小积分步长,难以满足航天器在轨快速计算需求.针对该问题,提出一种局部配点反馈迭代算法,该算法能高效解算受到初值约束和两点边值约束的轨道动力学方程.基于Picard迭代公式建立数值算法以避免计算雅可比矩阵,引入误差反馈以加快迭代收敛速度.通过时域配点法消除迭代公式推导中的复杂符号运算,使迭代公式更为简洁.结合拟线性化法及叠加法,算法能对两点边值约束下的Lambert问题实现高效解算.基于ph网格细化法建立计算参数自适应调节算法,能进一步增强局部配点反馈迭代法的大步长计算优势.通过求解二体动力学模型下的递推轨道,摄动Lambert问题以及限制性三体动力学模型下的转移轨道验证了算法有效性.仿真结果表明,在相同计算精度下,局部配点反馈迭代算法计算速度比拟线性化-局部变分迭代法提高1.5倍以上,引入变参数方案能够进一步将算法计算速度提高6倍以上. 展开更多

关键词 轨道动力学 数值方法 迭代法 变参数计算 初值问题 两点边值问题

在线阅读 下载PDF 职称材料

耦合扰动下空间翻滚目标的接触消旋输出反馈控制 被引量：4

9

作者 王宏伟 代洪华 +1 位作者 陈昊 岳晓奎 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第10期1564-1574,共11页

面向基于柔性毛刷的空间翻滚目标接触式消旋任务,研究了未知快时变、强耦合扰动下的服务航天器鲁棒控制问题。首先,建立了服务航天器、消旋刷和目标卫星组成的消旋系统动力学模型,并提出了一种基于最小距离准则的接触检测算法,实现了毛... 面向基于柔性毛刷的空间翻滚目标接触式消旋任务,研究了未知快时变、强耦合扰动下的服务航天器鲁棒控制问题。首先,建立了服务航天器、消旋刷和目标卫星组成的消旋系统动力学模型,并提出了一种基于最小距离准则的接触检测算法,实现了毛刷和目标帆板接触点的精确检测。在此基础上,采用有限时间扩张状态观测器实时估计耦合扰动和航天器状态,并将其与终端滑模控制技术结合,设计了一种无速度信息的鲁棒输出反馈控制策略,保证服务航天器姿态稳定和位置追踪的有限时间稳定。将其应用至航天器消旋系统中,仿真结果验证了所提策略的有效性和鲁棒性。 展开更多

关键词 柔性毛刷 接触消旋 输出反馈控制 翻滚目标

在线阅读 下载PDF 职称材料

并行加速的局部变分迭代法及其轨道计算应用 被引量：3

10

作者 王昌涛 代洪华 +2 位作者 张哲 汪雪川 岳晓奎 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第4期991-1003,共13页

为满足航天工程对轨道计算精度和实时性的高要求,近年来发展出了可以通过大步长积分修正实现快速精确求解的积分修正类方法.积分修正类方法有可并行计算的特点,然而在串行计算环境下会受到计算资源的限制,无法充分发挥其可并行加速的优... 为满足航天工程对轨道计算精度和实时性的高要求,近年来发展出了可以通过大步长积分修正实现快速精确求解的积分修正类方法.积分修正类方法有可并行计算的特点,然而在串行计算环境下会受到计算资源的限制,无法充分发挥其可并行加速的优势.此外,合理的计算参数通常难以预先确定,也使积分修正类方法大步长快速计算的优势难以充分体现.针对以上问题,利用积分修正类方法可并行计算的特点,提出了并行加速的局部变分迭代法PA-LVIM,通过将传统局部变分迭代法LVIM的并行计算量均摊到多个计算节点上,显著提高了计算速度.此外,还使用根据系统状态二阶导数分布确定计算参数的打磨法优化了PA-LVIM的计算参数,进一步发挥了其大步长快速计算的优势.求解了三个经典的轨道递推问题,仿真结果表明,PA-LVIM的加速效果明显,且经打磨法优化计算参数后,其计算效率又进一步得到提高,将当前主流方法的计算效率提高了5倍以上. 展开更多

关键词 轨道动力学 大步长变参数法 迭代法 并行计算 星载实时计算

在线阅读 下载PDF 职称材料

仿生抗冲击Stewart隔振平台的动力学与控制 被引量：2

11

作者 彭远生 代洪华 +1 位作者 张皓 岳晓奎 《西北工业大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第2期258-266,共9页

空间非合作目标柔顺抓捕过程中伴随有碰撞、强冲击等问题,因此必须设计具有高效隔振性能的隔振系统。设计了基于仿生抗冲击结构的Stewart隔振平台,通过隔振平台的仿生抗冲击特性实现抓捕过程中服务航天器的隔振保护。隔振平台的理论动... 空间非合作目标柔顺抓捕过程中伴随有碰撞、强冲击等问题,因此必须设计具有高效隔振性能的隔振系统。设计了基于仿生抗冲击结构的Stewart隔振平台,通过隔振平台的仿生抗冲击特性实现抓捕过程中服务航天器的隔振保护。隔振平台的理论动力学建模以拉格朗日动力学方程为基础,借助ADAMS软件验证了理论建模的正确性。仿真对比发现,设计的隔振平台的被动隔振性能优于基于线性弹簧阻尼隔振器的Stewart隔振平台。进一步研究了隔振平台参数对隔振性能的影响。采用反馈线性化的控制方法对隔振平台进行主动隔振控制,克服了被动隔振的速度漂移问题。研究表明设计的新型隔振平台具有优良的隔振性能,为非合作目标柔顺抓捕中的隔振系统选择提供了有效参考。 展开更多

关键词 仿生抗冲击结构 非合作目标柔顺抓捕 主被动隔振 STEWART平台 动力学 ADAMS 仿真 反馈线性化

在线阅读 下载PDF 职称材料

近地引力波编队构型设计与初始化方法研究

12

作者 张继烨 代洪华 +1 位作者 党朝辉 岳晓奎 《应用力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第6期1249-1256,共8页

近地小型化引力波探测编队研制周期短、成本低,适合于引力波项目前期的关键技术验证,具有重要的工程应用价值。不同于深空环境,近地引力波编队受地球非球形引力摄动影响显著,星间距离易产生发散致使任务失败。因而相对于典型的深空引力... 近地小型化引力波探测编队研制周期短、成本低,适合于引力波项目前期的关键技术验证,具有重要的工程应用价值。不同于深空环境,近地引力波编队受地球非球形引力摄动影响显著,星间距离易产生发散致使任务失败。因而相对于典型的深空引力波探测编队,近地引力波探测编队在无控状态下的自然稳定编队构型设计及其构型精确初始化是一个全新的轨道设计与控制问题。本研究以二体引力场下的轨道动力学和相对运动动力学为基础,对正三角形编队构型进行初步设计。再以构型长期稳定为目标,从摄动解析理论和智能优化的数值搜索方法对摄动条件下的自然稳定构型进行求解,为近地引力波探测编队提供了稳定的构型设计方案。最后,针对探测构型的精确初始化问题,探索了全局最优的微分校正策略,实现了近地引力波探测编队的高精度构建。 展开更多

关键词 引力波探测 正三角形编队 J_(2)不变性条件 数值优化 构型初始化

在线阅读 下载PDF 职称材料

基于动态规划的月面定点着陆快速制导方法

13

作者 赵弘骞 代洪华 党朝辉 《西北工业大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第1期159-166,共8页

提出了一种面向月面紧急救援任务的多阶段轨道转移与定点着陆全程时间最优制导新方法。建立了包含4个阶段的月面紧急救援全程运动及动力学模型。在初轨转移段,设计了在月球非球形引力摄动下基于“预测+校正”的Lambert算法。在动力下降... 提出了一种面向月面紧急救援任务的多阶段轨道转移与定点着陆全程时间最优制导新方法。建立了包含4个阶段的月面紧急救援全程运动及动力学模型。在初轨转移段,设计了在月球非球形引力摄动下基于“预测+校正”的Lambert算法。在动力下降段,利用哈密尔顿函数设计了一种可在轨实时应用的时间次优显式制导律。针对多阶段全局时间最优制导问题,通过对全程各段建立允许控制集,采用动态规划法得到了全程时间最优的制导律。仿真结果表明该方法相比于分段最优控制方法优化效果更好,全过程用时更短,对未来载人月球探测过程可能出现的月面紧急救援任务具有重要意义。 展开更多

关键词 月面紧急救援 Lambert算法 动力下降段 动态规划法

在线阅读 下载PDF 职称材料