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题名面向在轨操控的多分支航天器性能量化与设计优化
- 1
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作者
岳程斐
马经翰
曾令斌
王天舒
曹喜滨
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机构
哈尔滨工业大学微小型航天器快速设计与智能集群全国重点实验室
哈尔滨工业大学(深圳)空天科技学院
中国航天科技创新研究院
清华大学航天航空学院
哈尔滨工业大学卫星技术研究所
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出处
《宇航学报》
CSCD
北大核心
2024年第11期1752-1765,共14页
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基金
国家自然科学基金项目(12372045)。
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文摘
针对在轨操控多分支航天器性能量化与构型设计优化问题,提出了一套兼顾刚度、灵巧性、工作空间指标及能耗指标的多分支航天器性能评价体系,并使用多目标遗传算法完成了多分支航天器构型的优化。首先,介绍了可操作度、速度全域性能、灵巧工作空间等传统单臂构型优化指标,并提出由多分支系统刚度、多分支运动学灵巧性、多分支动力学灵巧性等性能指标构建的多分支航天器性能量化评价体系。其次,考虑通用操控场景,以单臂优化指标为目标函数,并结合多目标优化算法,完成了单臂构型优化。在此基础上,面向双臂支撑、双臂操控的场景,完成了多分支航天器构型优化这类超多目标优化问题的建模与求解。最后,通过仿真实例验证了所提指标的合理性与有效性。
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关键词
在轨操控
多分支航天器
性能量化
构型设计与优化
多目标优化
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Keywords
On-orbit manipulation
Multi-branch spacecraft
Performance quantification
Configuration design and optimization
Multi-object optimization
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分类号
V423.9
[航空宇航科学与技术—飞行器设计]
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题名输入受限的挠性航天器全驱姿态饱和控制
- 2
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作者
王典
吴云华
岳程斐
马松靖
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机构
南京航空航天大学航天学院
哈尔滨工业大学(深圳)空间科学与应用技术研究院
哈尔滨工业大学微小型航天器快速设计与智能集群全国重点实验室
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出处
《自动化学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2024年第11期2177-2187,共11页
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基金
国家自然科学基金(61973153,12372045)资助。
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文摘
面向空间攻防等任务的航天器通常安装微波、激光等大功率对抗载荷,未来航天器需要装备大型挠性太阳能帆板.针对挠性航天器姿态机动过程中存在外部干扰、执行机构饱和及挠性附件振动且挠性模态不易直接测量等问题,提出带挠性附件航天器的全驱姿态控制方法.首先,建立挠性航天器全驱姿态控制模型.其次,基于扩展非线性观测器(Extended nonlinearity observer,ENO)与努斯鲍姆增益调节设计一种抗饱和的姿态控制鲁棒算法.将外部扰动、挠性振动和输入饱和函数饱和估计误差作为复合干扰,采用非线性干扰观测器对其进行有效补偿.在直接参数设计线性控制参数基础上,扩展非线性观测器负责对挠性航天器产生的挠性振动等非线性进行实时估计和补偿,努斯鲍姆函数辅助控制器输出力矩避免饱和,并利用李雅普诺夫方法严格证明闭环系统的稳定性.最后通过数学仿真验证该方法不仅能够实现执行机构饱和约束条件下的姿态控制,还能有效抑制挠性结构的振动,为探索未来带有大型挠性附件航天器姿态控制新的方法提供参考.
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关键词
挠性航天器
姿态控制
全驱系统
输入饱和
努斯鲍姆增益调节
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Keywords
Flexible spacecraft
attitude control
fully actuated system(FAS)
input saturation
Nussbaum gain adjustment
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分类号
V448.22
[航空宇航科学与技术—飞行器设计]
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题名基于条件扩散模型的卫星遥测数据缺失值插补方法
- 3
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作者
庞昭辰
刘明
张立宪
曹喜滨
段广仁
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机构
哈尔滨工业大学航天学院
哈尔滨工业大学微小型航天器快速设计与智能集群全国重点实验室
哈尔滨工业大学控制理论与制导技术研究中心
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出处
《自动化学报》
北大核心
2025年第10期2302-2312,共11页
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基金
国家自然科学基金(62225305,62188101,62273116)
国家重点研发计划(2024YFF0504702)
+1 种基金
思源人工智能科学与技术协同创新联盟基金(HTKJ2023SY502003)
微小型航天器快速设计与智能集群全国重点实验室资助。
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文摘
卫星遥测时间序列数据在遥感监测、导航定位等领域具有重要应用价值,同时也能有效监控卫星的健康状态.然而,这些数据常常因传感器故障、数据传输错误等复杂因素出现缺失,严重影响数据的完整性和可用性,甚至可能导致决策失误.对此,提出基于多变量条件扩散模型的卫星时间序列补全方法,旨在提高卫星遥测数据缺失值插补的准确性.首先,通过引入条件扩散方法,将观测到的卫星数据作为条件输入,通过建模缺失值的后验分布来生成数据,并在生成过程中对该残缺样本进行初步的线性插补,从而提高模型的稳定性.其次,设计由时间注意力层和门控激活单元组成的残差模块作为主干预测网络,对多维遥测数据中的时间依赖关系进行充分捕捉,实现对缺失数据的精准重构.最后,在某通信卫星的动量轮遥测数据集以及公开的时间序列数据集上进行广泛实验.实验结果表明,所提方法在不同缺失率下均表现出良好的性能和泛化能力,与现有方法相比,展现出更高的准确性和稳定性.
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关键词
扩散模型
卫星遥测数据
时序插补
深度学习
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Keywords
Diffusion models
satellite telemetry data
time-series imputation
deep learning
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分类号
V557
[航空宇航科学与技术—人机与环境工程]
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题名模块化自重构卫星智能变构规划
- 4
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作者
贾晓冷
叶东
王博
孙兆伟
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机构
哈尔滨工业大学航天学院
微小型航天器快速设计与智能集群全国重点实验室(哈尔滨工业大学)
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出处
《哈尔滨工业大学学报》
北大核心
2025年第4期1-9,共9页
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基金
国家自然科学基金(62073102,62203145)。
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文摘
为解决航天任务复杂化与传统定构型卫星设计之间的矛盾,航天机构着眼于研究具有灵活构型变化能力的模块化自重构卫星,其中变构规划是一个具有挑战性的研究领域。针对模块化卫星变构问题,以立方体晶格型卫星作为研究对象,基于图论提出了描述卫星拓扑结构的构型矩阵和拓展矩阵。通过对卫星模块运动特点的研究,给出了求解模块运动可达空间的算法。将卫星的变构问题视为序列决策问题,基于深度强化学习理论,将变构过程建模为马尔可夫决策过程,设计了基于演员-评论家(actor-critic)模型的智能变构规划方法,建立多层神经网络以近似演员与评论家函数,通过训练神经网络,逐步改进卫星变构策略性能。仿真实验结果表明,所提出的变构方法对于给定的卫星算例,可以得到逐步改进的卫星变构策略,针对不同模块数的卫星构型具有通用性,同时相比于传统基于启发式搜索的变构方法,在变构步数、计算时间和变构成功率上具有优势,验证了所提出的智能规划方法在未来模块化卫星设计工作中具有潜在的价值。
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关键词
模块化自重构卫星
变构规划
深度强化学习
神经网络
演员-评论家模型
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Keywords
modular self-reconfigurable satellite
planning of reconfiguration
deep reinforcement learning
neural network
actor-critic model
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分类号
V423.41
[航空宇航科学与技术—飞行器设计]
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题名可变拓扑空间树网机器人设计与协同柔顺控制
- 5
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作者
魏庆生
魏承
赵亚涛
曹喜滨
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机构
哈尔滨工业大学航天学院
微小型航天器快速设计与智能集群全国重点实验室
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出处
《宇航学报》
北大核心
2025年第8期1654-1663,共10页
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文摘
面向中国未来在轨服务的战略需求,提出了一种可变拓扑的空间机器人及其多机械臂协同柔顺控制方法。基于仿生学原理提出了一种模块化分层设计的空间树网机器人系统,其架构包含“树根”、“树枝”和“树叶”3个功能模块层次,可通过快装快换装置实现模块间快速连接与拓扑重构。采用拉格朗日方法建立了空间树网机器人混合拓扑下的统一动力学模型,提出了一种基于阻抗控制的多臂协同柔顺控制算法。动力学仿真与地面实验的对比验证表明:该系统可有效实现拓扑构型变换,所提出的控制算法在多机械臂协同作业中展现出良好的柔顺控制性能。研究成果可为新一代空间机器人设计及在轨操作提供理论与方法支撑。
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关键词
机械臂
柔顺控制
动力学建模
可重构系统
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Keywords
Robotic arms
Compliant control
Dynamic models
Reconfigurable hardware
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分类号
V476.5
[航空宇航科学与技术—飞行器设计]
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题名月面着陆缓冲气囊缓冲过程解析建模与分析
- 6
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作者
郭金生
鲁一成
霍佳伟
吴凡
姜连祥
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机构
哈尔滨工业大学卫星技术研究所
哈尔滨工业大学微小型航天器快速设计与智能集群全国重点实验室
山东航天电子技术研究所
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出处
《航天器工程》
北大核心
2025年第3期8-17,共10页
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基金
国家自然科学基金(62303138,12372045)
黑龙江省头雁计划项目
山东省重点研发计划(2011JMRH0111)。
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文摘
针对着陆器以较大着陆速度(50~100 m/s)在月面进行着陆时缓冲气囊模型缺少、收敛速度慢的问题,对单个球形气囊着陆缓冲过程进行简化分析,提出了有褶皱的单气囊形变模型,考虑了缓冲过程中气囊产生褶皱引起的接触面积和体积的变化,并从能量的角度引入气囊织布弹性势能以考虑气囊织布弹性的影响,完成了单气囊缓冲过程的解析建模。同时采用建模软件进行了单气囊和多气囊的有限元参数验证,检验了建模的合理性与准确性,研究结果表明,单气囊和多气囊算例下的峰值过载误差分别为3.07%和5.28%,表明解析模型能较好地反映气囊参数的变化且精度较高,可以对单个和多个球形气囊的缓冲特性进行快速有效的预估。最后基于该解析模型对气囊的缓冲特性进行分析,给出了弹性模量、初始气压、排气口面积以及排气口开启阈值等参数对气囊缓冲特性的影响趋势。
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关键词
着陆缓冲
球形气囊
解析建模
缓冲特性分析
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Keywords
landing cushioning
spherical airbags
analytical modeling
analysis of buffering characteristics
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分类号
V476.3
[航空宇航科学与技术—飞行器设计]
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题名考虑光照特性的卫星柔性太阳翼动力学参数辨识方法
- 7
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作者
程天明
刘天喜
夏斌
魏承
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机构
哈尔滨工业大学航天学院
微小型航天器快速设计与智能集群全国重点实验室
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出处
《宇航学报》
北大核心
2025年第8期1674-1683,共10页
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基金
国家重点研发计划资助(2024YFF0504702)。
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文摘
卫星柔性太阳翼在轨动力学参数测量与辨识已广泛采用非接触式的视觉测量方法。卫星长时间在轨运行,星载相机采集大量的图像数据;这些图像受光照条件等因素影响,存在诸多过曝、过暗的失效情况。针对失效图像的剔除和有效图像的参数辨识问题,提出多深度并行卷积模块。此模块可以同时保留卷积前期和后期特征图的信息,实现多维度同步提取特征。基于该模块搭建超轻量化卷积神经网络,大幅降低了网络参数量。利用标定的训练数据集训练网络,通过测试数据集对网络效果进行评价,并利用网络反馈的图像进行航天器动力学参数辨识。试验表明,此轻量化卷积神经网络可以凭借不足10万的参数量实现99.60%的辨识准确度,利用其输出的图像可以实现太阳翼动力学参数计算。
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关键词
计算机视觉
卷积神经网络
动力学参数辨识
轻量化神经网络
在轨图像处理
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Keywords
Computer vision
Convolutional neural network
Dynamic parameter identification
Lightweight neural network
On-orbit image processing
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分类号
V414.1
[航空宇航科学与技术—航空宇航推进理论与工程]
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题名不完全信息条件下的在轨服务轨迹规划方法
- 8
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作者
周明泽
刘天喜
林福良
张清芳
王盈辉
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机构
哈尔滨工业大学航天学院
微小型航天器快速设计与智能集群全国重点实验室
北京控制与电子技术研究所信息系统工程全国重点实验室
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出处
《宇航学报》
北大核心
2025年第8期1543-1554,共12页
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文摘
针对在轨服务任务中存在参数不确定性的问题,提出了一种基于神经网络动态调整规划周期与短时重复周期诱导式优化的轨迹规划方法。通过神经网络对时间信息进行实时学习与预测,动态调整轨迹规划的周期,以平衡计算效率与规划精度。结合滚动时域优化与异步优化策略,在局部时间窗口内重复修正轨迹参数,通过高频次短时局部优化抑制累积误差,确保航天器在复杂空间环境中的稳定运行和任务的成功执行。仿真结果表明,所提方法在存在不完全信息的情况下,能够更有效地控制航天器的轨迹,使其在复杂空间环境中保持稳定。蒙特卡洛仿真结果表明,所提方法的成功率为81.34%;在大部分样本中,算法能够处理对应的不完全信息,解决轨迹规划问题,展现出较高的可靠性和鲁棒性。
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关键词
不完全信息
在轨服务
轨迹规划
神经网络
滚动时域优化
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Keywords
Incomplete information
On-orbit servicing
Trajectory planning
Neural network
Receding horizon optimization
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分类号
V529.1
[航空宇航科学与技术—人机与环境工程]
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题名小天体风化层侵入阻力的颗粒介质地面动力学模型研究
- 9
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作者
李奕轩
黄意新
赵阳
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机构
哈尔滨工业大学航天学院
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出处
《宇航学报》
2025年第10期2044-2053,共10页
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基金
国家自然科学基金(52205257)
国防科工局稳定支持科研项目(HTKJ2023KL502018)。
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文摘
风化层是小天体表面典型地貌,低速撞击颗粒介质时的侵入阻力会影响探测器着陆与表面运动规律。针对微重力环境下颗粒介质侵入阻力的高效计算问题,提出了一种改进的颗粒介质地面动力学模型。采用离散元方法,分析了重力大小对侵入阻力影响规律,验证了颗粒介质地面动力学模型在微重力环境下的适用性;引入重力系数改进了侵入阻力计算公式,扩展了颗粒介质地面动力学理论的适应范围。利用该方法,给出了千分之一地球重力场环境、3~5 mm颗粒粒径、侵入角度75°~90°范围工况下侵入阻力快速计算模型,与离散元方法对比,二者结果相对误差在±8%以内。该方法提供了一种对颗粒参数不敏感且兼顾计算精度的侵入阻力高效工程计算模型,可以加速微重力环境下小天体探测器着陆与表面运动大规模仿真分析。
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关键词
微重力
颗粒介质
地面动力学
离散元方法
侵入阻力
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Keywords
Microgravity
Granular media
Terradynamics
Discrete element method
Intrusion resistance
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分类号
V419.2
[航空宇航科学技术]
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题名融合CVAE与贝叶斯推断的空间灵巧手容错重构方法
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作者
陈世伟
马尔浚
赵亚涛
孙晟昕
魏承
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机构
哈尔滨工业大学航天学院
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出处
《宇航学报》
2025年第10期2122-2133,共12页
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基金
国家重点研发计划(2024YFF0504702)
空间智能控制技术全国重点实验室开放基金(HTKJ2023KL502017)。
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文摘
针对空间灵巧手在轨运行过程中环境恶劣多变引发关节传感故障的问题,传统方法存在依赖精确建模和适应场景单一的局限性。对此,提出一种融合在线条件变分自动编码器(Online-CVAE)与贝叶斯推断的容错重构方法。首先,通过采集地面正常数据预训练CVAE模型,构建关节角度重构与置信度生成机制;然后,设计基于贝叶斯推断的动态阈值更新机制,利用实时重构误差与模型不确定性反馈,自适应优化故障判定边界;最后,基于弹性权重巩固算法构建Online-CVAE在线学习框架,动态优化模型参数以适应灵巧手在轨动力学特性变化。实验结果表明,该方法在存在数据畸变、丢失和通信延迟等情况的复合故障场景下,故障检测的精度均超过91%,F1分数均超过94%,相比传统检测方法具有更高的鲁棒性。Online-CVAE模型通过在线更新机制使关节角度预测误差稳定在0.04 rad以内,较传统CVAE模型预测误差稳定性提升了25.3%。所提方法可为空间灵巧手提供鲁棒容错能力,支撑空间站在轨维护任务可靠性的提升。
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关键词
空间灵巧手
故障检测
容错控制
条件变分自动编码器
增量学习
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Keywords
Space dexterous manipulator
Fault detection
Fault-tolerant control
Conditional variational autoencoder
Incremental learning
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分类号
V19
[航空宇航科学技术]
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