时滞与未知扰动下航天器时变编队最优协同跟踪

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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

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高轨航天器集群在轨服务智能任务规划方法

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作者 郑鑫宇 曹栋栋 +4 位作者 唐佩佳 张轶 彭升人 周杰 党朝辉 《中国空间科学技术(中英文)》 北大核心 2025年第1期34-45,共12页

针对高轨航天器多对多在轨服务任务规划问题,建立了考虑燃料消耗和任务时长两个优化目标的高轨航天器在轨服务任务规划模型,并提出了一种Q学习改进的多目标遗传算法(Q-learning-based Multi-objective Genetic Algorithm,QMGA)。首先,... 针对高轨航天器多对多在轨服务任务规划问题,建立了考虑燃料消耗和任务时长两个优化目标的高轨航天器在轨服务任务规划模型,并提出了一种Q学习改进的多目标遗传算法(Q-learning-based Multi-objective Genetic Algorithm,QMGA)。首先,建立了基于四脉冲Lambert转移的多对多目标分配模型,并同时以速度脉冲和任务用时为目标函数,通过将问题解耦为轨道转移优化问题和目标分配优化问题实现了优化变量的降维,简化了计算过程。然后,结合Q学习提出了QMGA算法,采用Q学习在线更新多目标遗传算法的交叉概率与变异概率,提高了算法的寻优能力。最后采用QMGA算法求解模型,并将其计算结果与传统多目标遗传算法计算结果进行对比,发现QMGA算法可以得到更优的任务规划结果,计算得到的总速度增量消耗和总任务时间分别平均比MGA计算得到的结果减少了6.2%和19.7%。这一结果证明强化学习方法可进一步赋能传统智能优化方法,从而提升航天器集群任务能力。 展开更多

关键词 Q学习 多目标遗传算法 多目标分配任务规划 多脉冲Lambert转移 集群任务规划

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超低轨卫星气动参数及转动惯量在轨实时辨识 被引量：3

3

作者 党朝辉 项军华 《上海航天》 2012年第5期20-24,40,共6页

给出了超低轨卫星气动参数和转动惯量的在轨实时辨识方法。针对超低轨卫星所处的稀薄流环境,建立了镜面-漫反射模型稀薄流散射系数的傅里叶级数模型。根据卫星姿态动力学与运动学方程推导了傅里叶级数模型中各气动参数以及卫星转动惯量... 给出了超低轨卫星气动参数和转动惯量的在轨实时辨识方法。针对超低轨卫星所处的稀薄流环境,建立了镜面-漫反射模型稀薄流散射系数的傅里叶级数模型。根据卫星姿态动力学与运动学方程推导了傅里叶级数模型中各气动参数以及卫星转动惯量的线性观测模型。以采用气动主动控制方式的近地圆轨道纳星为仿真对象,用递推最小二乘法进行在轨实时辨识,辨识结果与设定值一致。方法对卫星在轨实时控制时需获取高精度的气动力矩和卫星真实转动惯量有重要的意义。 展开更多

关键词 超低轨卫星 气动参数 转动惯量 实时辨识

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基于大气阻力实时辨识的Drag-free卫星最优控制研究 被引量：1

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作者 党朝辉 项军华 曾国强 《上海航天》 2010年第6期6-10,60,共6页

研究了基于大气阻力实时辨识的Drag-free卫星最优控制。将Drag-free卫星和其内部的验证质量等效为两颗内、外编队卫星并建立动力学方程,推导了基于卫星和验证质量的相对运动状态观测值反演大气阻力的算法。建立了状态最优调节器模型,采... 研究了基于大气阻力实时辨识的Drag-free卫星最优控制。将Drag-free卫星和其内部的验证质量等效为两颗内、外编队卫星并建立动力学方程,推导了基于卫星和验证质量的相对运动状态观测值反演大气阻力的算法。建立了状态最优调节器模型,采用动态规划求解经典的二次型最优控制。对低轨圆轨道Drag-free卫星的仿真计算结果表明方法的求解精度较高,计算消耗较小。 展开更多

关键词 Drag-free卫星 跟踪保持 最优控制 大气阻力 实时辨识

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仅有单个陀螺的Drag-free卫星初始速率阻尼模糊控制研究 被引量：1

5

作者 党朝辉 项军华 刘昆 《上海航天》 2012年第1期6-11,共6页

研究了在仅有偏航姿态测量陀螺时,利用Drag-free卫星与其内部定向体间的相对状态观测值实现姿态确定的方法。针对Drag-free卫星的特点,建立了定向体的空间姿态观测模型和Drag-free卫星的姿态动力学方程,据此推导了用于姿态确定的Kalman... 研究了在仅有偏航姿态测量陀螺时,利用Drag-free卫星与其内部定向体间的相对状态观测值实现姿态确定的方法。针对Drag-free卫星的特点,建立了定向体的空间姿态观测模型和Drag-free卫星的姿态动力学方程,据此推导了用于姿态确定的Kalman滤波算法。为实现初始速率阻尼阶段Drag-free卫星的三轴姿态稳定,设计了模糊控制律。仿真结果验证了方法的有效性。 展开更多

关键词 Drag—free卫星 单个陀螺 初始速率阻尼 模糊控制

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用于微小卫星自主导航控制系统地面仿真的磁强计数学模型

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作者 党朝辉 项军华 刘昆 《上海航天》 2011年第4期62-66,共5页

对基于磁强计自主导航微小卫星控制系统地面仿真的磁强计数学模型建立进行了研究。给出了地磁场理论数据的生成模型及磁强计的测量模型,并据此建立了磁强计测量数据生成的数学模型。对低轨圆轨道微小卫星的仿真计算结果表明:由该磁强计... 对基于磁强计自主导航微小卫星控制系统地面仿真的磁强计数学模型建立进行了研究。给出了地磁场理论数据的生成模型及磁强计的测量模型,并据此建立了磁强计测量数据生成的数学模型。对低轨圆轨道微小卫星的仿真计算结果表明:由该磁强计数学模型获得的磁场强度测量值与文献中真实磁强计测量数据差异很小,验证了模型的有效性和准确性。 展开更多

关键词 微小卫星 磁强计 地面仿真 数学模型

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近地轨道集群航天器电磁编队飞行非线性反馈控制方法 被引量：1

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作者 胡敏 曾国强 党朝辉 《空间科学学报》 CAS CSCD 北大核心 2012年第3期417-423,共7页

针对近地轨道集群航天器电磁编队飞行的动力学和控制问题,提出了一种非线性反馈控制方法.基于电磁力模型和地磁场模型,分析了地磁场对近地轨道电磁编队的影响;建立了集群航天器电磁编队高精度相对轨道动力学模型;基于Lyapunov稳定性理... 针对近地轨道集群航天器电磁编队飞行的动力学和控制问题,提出了一种非线性反馈控制方法.基于电磁力模型和地磁场模型,分析了地磁场对近地轨道电磁编队的影响;建立了集群航天器电磁编队高精度相对轨道动力学模型;基于Lyapunov稳定性理论设计了一种非线性反馈控制律,利用该方法对两星电磁编队维持控制进行了仿真验证.仿真结果表明,地磁场引起的电磁干扰力可以忽略,但是电磁干扰力矩的影响必须考虑;近地轨道集群航天器电磁编队是可控的,所设计的控制方法是可行的. 展开更多

关键词 近地轨道 集群航天器 电磁编队 地磁场 非线性反馈控制

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回合制轨道博弈中MCTS算法的改进与应用

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作者 郑鑫宇 张轶 +3 位作者 周杰 唐佩佳 彭升人 党朝辉 《中国空间科学技术（中英文）》 CSCD 北大核心 2024年第5期75-82,共8页

航天器回合制追逃博弈中的变轨感知延迟使得微分对策法求解困难,基于深度强化学习的博弈算法可解释性弱,在工程上的运用仍存在风险。针对航天器回合制追逃博弈问题,提出了一种预测价值积累的蒙特卡洛树搜索(PVA-MCTS)算法。该算法基于... 航天器回合制追逃博弈中的变轨感知延迟使得微分对策法求解困难,基于深度强化学习的博弈算法可解释性弱,在工程上的运用仍存在风险。针对航天器回合制追逃博弈问题,提出了一种预测价值积累的蒙特卡洛树搜索(PVA-MCTS)算法。该算法基于航天器轨道运动的可预知性,对博弈过程中的决策价值进行预测并积累,解决了航天器回合制追逃博弈奖励稀疏、时间跨度大的问题,采用的自适应扩展方法提升了学习效率。将其用于求解航天器回合制追逃博弈问题,并与蒙特卡洛树搜索(MCTS)算法求解得到的结果对比,结果表明PVA-MCTS算法对追踪航天器和逃逸航天器分别有约27.6%的追捕用时缩短和约6.8%的逃逸时间延长。该算法的提出可加快推进后续轨道博弈技术在非合作目标接近、碰撞规避等领域应用的落实落地。 展开更多

关键词 航天器追逃 回合制追逃博弈 蒙特卡洛树搜索 变轨感知延迟 预测价值积累

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航天器轨道动力学之“动”在何处? 被引量：3

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作者 党朝辉 《力学与实践》 北大核心 2018年第2期236-239,共4页

1何谓轨道动力学？ 航天器轨道动力学是航天领域的一门基础学科,是天体力学在航天领域的具体应用,主要研究在万有引力及其他外力作用下航天器的运动特性及控制规律^（[1]）.这门学科涉及大量数学和经典力学方面的内容,但一般不涉及相... 1何谓轨道动力学？ 航天器轨道动力学是航天领域的一门基础学科,是天体力学在航天领域的具体应用,主要研究在万有引力及其他外力作用下航天器的运动特性及控制规律^（[1]）.这门学科涉及大量数学和经典力学方面的内容,但一般不涉及相对论和量子力学,因此就其抽象程度而言并不特别复杂. 展开更多

关键词 轨道动力学 航天器 航天领域 基础学科 天体力学 经典力学 控制规律 运动特性

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空间轨道博弈:概念、原理与方法 被引量：27

10

作者 赵力冉 党朝辉 张育林 《指挥与控制学报》 CSCD 2021年第3期215-224,共10页

针对日趋重视的空间安全需求,提出了空间轨道博弈理论与体系,建立了空间飞行器轨道博弈的概念、原理和方法.完成了潜伏、伪装、追逃、拦截、防御、封锁、包围、附着、接管等9种轨道博弈类型的定义和分类,设计了轨道博弈任务的一般流程,... 针对日趋重视的空间安全需求,提出了空间轨道博弈理论与体系,建立了空间飞行器轨道博弈的概念、原理和方法.完成了潜伏、伪装、追逃、拦截、防御、封锁、包围、附着、接管等9种轨道博弈类型的定义和分类,设计了轨道博弈任务的一般流程,探讨了基于人工智能、生物群体仿生智能等的轨道博弈问题求解框架.对空间非合作目标监视、接管、操控、维修、清除等轨道博弈任务的实施具有较好的指导意义. 展开更多

关键词 轨道博弈 空间安全 人工智能 群体智能

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太阳帆航天器三维人工平动点变化特性研究 被引量：2

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作者 段逊 岳晓奎 党朝辉 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第1期118-124,共7页

本文研究了太阳帆航天器在光压因子、锥角和钟角共同作用下的三维人工平动点的变化特性。在光压因子较小的时候,五个平动点会拓展成五个不相连的"人工"平动点面。随着光压因子增大,平动点面SL3,SL4和SL5将逐渐扩大并互相融合... 本文研究了太阳帆航天器在光压因子、锥角和钟角共同作用下的三维人工平动点的变化特性。在光压因子较小的时候,五个平动点会拓展成五个不相连的"人工"平动点面。随着光压因子增大,平动点面SL3,SL4和SL5将逐渐扩大并互相融合,最终延展至SL1与之融合。而平动点面SL2则始终保持独立的球面,只随着光压因子的增大而扩大但不与其它平动点面发生融合。平动点位置的改变,意味着对应的周期轨道也随之改变,这为平动点周期轨道的转移等任务提供了有效参考。 展开更多

关键词 人工平动点 太阳帆航天器 太阳光压

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基于多智能体强化学习的轨道追逃博弈方法 被引量：17

12

作者 许旭升 党朝辉 +2 位作者 宋斌 袁秋帆 肖余之 《上海航天（中英文）》 CSCD 2022年第2期24-31,共8页

针对空间轨道博弈过程中的集群卫星和非合作目标追逃博弈情形下的动力学模型复杂、非合作目标机动信息未知,以及卫星间难以有效协调等问题,提出一种基于多智能体深度强化学习算法的集群卫星空间轨道追逃博弈方法。首先通过对博弈场景进... 针对空间轨道博弈过程中的集群卫星和非合作目标追逃博弈情形下的动力学模型复杂、非合作目标机动信息未知,以及卫星间难以有效协调等问题,提出一种基于多智能体深度强化学习算法的集群卫星空间轨道追逃博弈方法。首先通过对博弈场景进行建模,在考虑最短时间、最优燃料以及碰撞规避的情形下进行奖励函数的塑造和改进,利用深度强化学习方法中的多智能体深度确定性策略梯度(MADDPG)算法进行集中训练,得到各个追捕卫星和逃逸卫星的最优追逃策略参数;然后分布式执行使得多个追捕卫星和逃逸卫星之间能够完成追逃博弈。仿真结果表明:该方法能够完成集群卫星对非合作目标的追逃博弈,且能够利用数量优势有效地弥补速度劣势,涌现出“围捕“”拦截“”合作“”潜伏”等一系列智能博弈行为,有效地实现了博弈目的。 展开更多

关键词 集群卫星 非合作目标 追逃博弈 奖励塑造 多智能体深度确定性策略梯度算法 涌现 智能

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空间引力波探测正三角形编队动力学机理与控制方法 被引量：6

13

作者 刘培栋 党朝辉 《指挥与控制学报》 CSCD 2021年第3期275-286,共12页

空间引力波探测要求航天器以正三角形编队稳定运行,其形成方式与维持方法面临诸多挑战.对国内外已提出的三类正三角形编队方案进行了对比分析,总结和梳理了各类正三角形构形的内在形成机理,深入探讨了不同构形的摄动演化规律和稳定性条... 空间引力波探测要求航天器以正三角形编队稳定运行,其形成方式与维持方法面临诸多挑战.对国内外已提出的三类正三角形编队方案进行了对比分析,总结和梳理了各类正三角形构形的内在形成机理,深入探讨了不同构形的摄动演化规律和稳定性条件,在此基础上提出了空间正三角形编队的初始化、保持与重构控制原理.研究结果将为空间引力波探测编队构形的设计与控制提供理论基础. 展开更多

关键词 空间引力波探测 正三角形编队 动力学机理 控制方法

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适应于障碍物真实结构的航天器集群避障运动控制 被引量：2

14

作者 周昊 党朝辉 《航天控制》 CSCD 北大核心 2022年第6期23-29,共7页

基于人工势场法,研究了适应于空间障碍物真实结构的航天器集群避障运动控制问题。所建立的适应于空间障碍物形状的障碍物势场模型由基于距离度量的基本几何单元势场构成。然后为航天器集群设计了一种避障运动控制律,并对闭环系统稳定性... 基于人工势场法,研究了适应于空间障碍物真实结构的航天器集群避障运动控制问题。所建立的适应于空间障碍物形状的障碍物势场模型由基于距离度量的基本几何单元势场构成。然后为航天器集群设计了一种避障运动控制律,并对闭环系统稳定性以及避障效果进行了理论分析。最后通过具体的编队形成运动仿真案例,验证了控制律所能实现的状态跟踪和碰撞规避效果。本文设计的避障方法仅利用个体相对于邻近障碍物的位置和速度信息,适应于空间障碍物信息不完全已知的现实应用需求。 展开更多

关键词 碰撞规避 复杂障碍物规避 人工势场 航天器相对运动 集群控制

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近地引力波编队构型设计与初始化方法研究

15

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

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基于动态规划的月面定点着陆快速制导方法

16

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

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基于二阶CW方程的引力波探测编队构形设计

17

作者 焦博涵 党朝辉 《深空探测学报（中英文）》 CSCD 北大核心 2023年第3期257-267,共11页

针对基于CW(Clohessy-Wiltshire)方程所设计的空间引力波探测编队在二体非线性引力场下的臂长发散问题,提出了一种基于二阶CW方程的编队构形设计方法。推导了二阶CW方程的微分形式,利用摄动法得到了二阶CW方程的近似解析解,并以此为基... 针对基于CW(Clohessy-Wiltshire)方程所设计的空间引力波探测编队在二体非线性引力场下的臂长发散问题,提出了一种基于二阶CW方程的编队构形设计方法。推导了二阶CW方程的微分形式,利用摄动法得到了二阶CW方程的近似解析解,并以此为基础证明了完美空间圆形绕飞轨道的不存在性,分析了基于CW方程所设计的标称构形的发散原因;基于二阶CW方程与能量匹配周期条件以航天器相位角为优化变量构建了编队构形优化模型,建立了基于全局优化算法和模式搜索算法的多约束构形优化方法;以“太极”任务为背景对优化结果进行了仿真验证。仿真表明:所提出的优化方法能够将编队臂长的平均误差降低至0.32%、最大误差降低至0.44%。 展开更多

关键词 空间引力波探测 二阶CW方程 编队设计 摄动法 太极

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