控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2019年第12期

• 航天器控制系统的自主诊断重构技术

  王大轶,屠园园,符方舟,李文博,刘成瑞,刘文静,徐赫屿

  自主诊断重构是确保航天器控制系统安全可靠自主运行的关键技术之一。本文针对航天器资源严重受限的客观情况，改变传统一味追求华丽算法与豪华配置的设计理念，从航天器的自身特性出发，深入挖掘诊断重构问题的本质，提出基于可诊断性与可重构性评价设计的研究思路。文章首先介绍了航天器自主诊断重构技术的发展现状，分析了当前技术的不足之处并探究了其深层原因；然后，提出了通过可诊断性与可重构性评价设计从根本上提高系统自主诊断重构能力的全新思路，梳理了其研究内容与研究概况；最后，对航天器控制系统自主诊断重构技术的发展趋势进行了展望。

• 近地小行星仅测角相对导航可观性判据

  董天舒,王大轶,李文博

  针对近地小行星仅测角相对导航系统的非线性可观测性分析问题, 本文基于非线性系统局部弱可观性理论给出了新的可观测性判据. 首先, 通过分析非线性系统李导数的共有属性, 给出了李导数梯度空间的共有子空间. 进一步, 利用该共有子空间和非线性系统局部弱可观性定义给出了新的可观性判据. 经理论证明, 该判据适用于非线性系统任意阶李导数, 并且给出的可观性结论可与高阶可观性矩阵秩判据的结论等价. 与传统的秩判据相比, 该判据具有无需进行高阶李导数运算, 无需进行高维矩阵运算的优点. 因此该判据适合在轨计算, 具有一定的工程价值. 最后仿真结果验证了可观性判据有效性.

• 基于陆标图像的火星绕飞自主导航方法

  侯博文,王炯琦,周海银,何章鸣

  针对火星绕飞自主导航的高精度要求，在仅观测火星地表陆标图像信息的基础上，建立了相应的自主导航方案并利用李导数分析了该方案的可观测性。考虑到拍摄到图像测量信息并进行视线提取过程中可能会产生的不确定性测量误差，采用基于极大相关熵的无迹卡尔曼滤波算法抑制不确定性误差影响，并实现对航天器的位置、速度等状态估计。通过数学仿真验证了该自主导航方法的可靠性以及极大相关熵无迹卡尔曼滤波算法对不确定误差影响的抑制。

• 适用处理非高斯观测噪声的强跟踪卡尔曼滤波器

  吕东辉,王炯琦,熊凯,侯博文,何章鸣

  在高斯噪声条件下, 卡尔曼滤波器(KF)能够获得系统状态的一致最小方差线性无偏估计. 但当噪声非高斯, KF性能将严重下降. 观测噪声非高斯现象在深空探测自主导航中经常遇到, 然而现有模型可能存在着精度不高、稳定性不强或者计算复杂度较高的缺点. 针对这种现状, 本文在传统强跟踪卡尔曼滤波器(STKF)中新息正交原则的基础上, 推导了适用处理非高斯观测噪声的强跟踪卡尔曼滤波器(STKFNO), 并将其嵌入到无迹卡尔曼滤波(UKF)框架下形成适用处理非线性系统非高斯观测噪声的强跟踪无迹卡尔曼滤波器(STUKFNO). 所提出的算法被应用到深空光学自主导航系统中, 仿真结果表明所提出的算法能够较好地应对观测噪声的非高斯性.

• 绕月自由返回轨道的应急自主制导算法

  孟占峰

  为了提高月球探测器自主运行能力，嫦娥五号飞行试验任务的飞行软件需要在出现入轨大偏差情况下，具备在轨自主应急制导策略生成与轨道重构的能力。针对此需求，本文提出了一种适用于在轨自主生成和实施的绕月自由返回轨道应急制导策略。该策略将应急制导策略自主生成问题转化为三体Lambert问题在轨自主求解问题。发展了经典三体Lambert算法，在原算法中引入Quasi-Lambert算法解决了算法边界条件问题。该算法计算量小，计算精度高，可直接瞄准再入点参数，可显著提升探测器的自主运行能力，对未来月球探测和载人登月任务有重要的应用参考价值。

• 多次行星借力的小推力飞行控制策略研究

  田百义,黄美丽,王大轶,张相宇,冯 昊,赵 峭

  针对小推力深空探测器采用多次行星借力的飞行控制策略优化问题，文章提出了一种将推进段作为整体与滑行段进行打靶拼接的方法，最大限度地减少了优化设计时的待优化参数个数。首先，文章给出了小推力飞行轨道的间接优化设计模型和基于B平面理论的行星借力模型。随后，建立了给定开关机时序条件下的小推力借力飞行控制策略优化模型；最后，采用遗传算法和序列二次规划算法循环对该模型进行优化求解，并以地球-金星-地球-木星小推力飞行轨道控制策略优化设计为例进行仿真分析，仿真结果验证了优化模型的正确性和有效性，表明本文的研究方法可对小推力多次行星借力飞行的控制策略进行优化设计。

• 深空探测柔性太阳帆航天器动力学建模与姿态控制

  葛东明,史纪鑫,邹元杰,邓润然,朱卫红

  柔性太阳帆完整的仿真模型包括多体动力学、刚柔耦合、以及太阳辐射光压模型，导致控制设计十分复杂。针对带有控制杆的太阳帆，本文采用拉格朗日方程和有限元方法，给出了解析形式的面向控制的模型。所推导的刚柔耦合动力学模型便于理解双框架控制杆的短周期运动，姿态与柔性太阳帆的耦合特性，以及在太阳光压恢复力矩下的静稳定姿态长周期运动。基于带控制杆的太阳帆的多时间尺度特性，给出了双回路控制结构，用于实现航天器俯仰轴和偏航轴的姿态控制。内回路设计为比例-微分（PD）控制器，用于实现质心位置的调整。外回路设计为比例-积分-微分（PID）控制器，用于阻尼姿态运动，并保持在平衡太阳光压力矩下的期望姿态。因此，将控制问题分解为低阶子问题，实现了在不同频带上的设计。仿真结果验证了动力学和姿态控制设计方法的有效性。

• 深空探测航天器姿态的自抗扰控制

  钟声,黄一,胡锦昌

  本文针对一种带有挠性附件和液体晃动的深空探测航天器姿态控制问题, 提出了自抗扰控制律. 该控制律可以自主、有效地抑制弹性振动和液体晃动对姿态角运动的耦合作用以及处理大范围的扰动和系统不确定性. 基于四元数生成角速度跟踪指令, 把控制问题由姿态角控制转化为角速度控制. 通过设计扩张状态观测器实时估计并补偿角速度通道总扰动并结合角速度偏差反馈, 使得角速度快速跟踪指令, 进而实现控制目标. 仿真结果验证了控制律的有效性和鲁棒性.

• 面向自主运行的深空探测航天器体系结构设计 及自主任务规划方法

  冯小恩,李玉庆,杨晨,何熊文,徐勇,朱立颖

  传统的航天器运行管控方式严重依赖地面指控、人力成本耗费大且对任务响应时间长，难以满足深空探测远距离通信时延突出的任务特点，航天器的智能化水平亟待进一步提高。本文通过对航天器自主运行问题进行系统地分析，提出一种能够支持航天器自主运行的体系结构，面向自主系统软硬件结构、自主管理分系统运行流程等进行了设计。重点针对小行星探测任务，提出了航天器自主任务规划演示验证仿真系统设计方案，实现自主任务规划仿真，能够根据高级任务目标输出完整的指令序列、各分系统或部件的动作时间线、以及相应的资源状态时间线，支持对相关算法和模型的可视化验证、分析等功能，为航天器自主运行技术研究提供了一种有益的思路和方法。

• 月球表面巡视探测自主局部避障规划

  邢琰,刘祥,滕宝毅,毛晓艳

  路径规划是月球表面巡视探测自主导航的重要功能,是提高地外天体表面探测效率和安全性的关键。国外已实现的地外天体表面自主路径规划方法以局部避障为主要目标,不考虑全局目标可达性和完备性,本文针对该问题,提出一种基于地形通过性定量评价和目标可达的综合自主局部避障规划方法,通过对稠密地形数据进行可通过性能的综合评价,并考虑与目标的方位和距离,规划出能够到达目标的避障安全路径。该方法已经成功应用于我国“玉兔号”和“玉兔二号”月球车的自主导航中。

• 微小卫星集群协同观测构形调整规划

  汪志军,赵艳彬,程月华,廖鹤,姜斌

  以微小卫星集群实现小行星探测为背景，研究局部信息交互的空间目标观测任务构形调整。针对难以直接求取集群构形调整的全局最优解问题，利用通信协调图，将全局协调决策分解成多个局部求解问题，并引入强化学习机制实现求解。针对集群全局协调决策问题，通过设计基于Max-plus算法的全局协调决策算法来实现全局协作；针对单星局部优化问题，设计基于神经网络的局部Q学习算法来实现单星动作调整规划。仿真结果表明，本文所提的协作规划算法能自主有效地将集群调整至期望构形，实现协同观测任务。

• 面向深空探测任务的实数遗传编码多星任务规划算法

  贺东雷,冯小恩,雷明佳,江飞龙,董诗音,李玉庆

  针对多星任务规划问题,综合考虑卫星对目标时间窗口、卫星姿态机动以及卫星工作能耗等约束条件,建立了多星任务规划问题模型,针对常规01编码在进行大规模卫星任务规划时,存在的编码长度过长等问题,提出了一种基于实数编码方式的遗传算法,以求解多星任务规划问题。该算法采用了一种以目标为染色体的实数编码方式,相比传统的以时间窗口为染色体的01编码方式,缩短了染色体长度,可有效提高算法的求解效率。通过仿真算例分析,验证了基于实数编码的遗传算法对求解多星任务规划问题的正确性、合理性和有效性,并将其与基于传统01编码方式的遗传算法进行对比分析,其结果表明基于实数编码方式的遗传算法在寻优能力和计算速度上具有明显优势,这为求解多星任务规划问题提供了一种新的思路和方法。

• 深空探测器自主健康管理需求及其软件架构

  何熊文,郭坚,李玉庆,詹盼盼,顾明,朱剑冰

  由于深空探测器距离远，要求具有很强的自主健康管理能力。目前大多数深空探测器自主健康管理功能为型号特定，缺乏统一的健康管理方法及软件架构，难以实现星载自主健康管理软件的通用化。针对此问题，本文对深空探测器自主健康管理需求进行了分析，提出了一种基于包应用标准和航天器接口业务标准的自主健康管理方法，设计了分层的通用软件架构。本文对架构中与健康管理相关的在轨监视业务构件、事件报告业务构件、事件动作业务构件等三个核心构件进行了详细设计，并进一步说明了架构在原理样机中的应用验证情况。

• 基于图论的深空探测航天器故障可诊断性评价

  刘文静,李文博,张秀云,刘成瑞

  为了衡量深空探测航天器的自主故障诊断能力，提出基于图论的故障可诊断性评价方法。在对加权有向图进行介绍的基础上，给出可强推导结点、依赖于故障的可推导结点以及解析冗余结点等定义；分别提出故障可检测性和可分离性判据并给出相关证明，考虑深空探测航天器的资源约束问题，研究解析冗余关系优选方法；分析深空探测航天器的故障诊断层次，并对系统级故障诊断能力进行评价；最后，利用深空探测航天器的数学仿真数据对所提方法的有效性进行验证。

• 微小故障下的深空探测航天器闭环主动故障检测

  窦立谦,季春惠,张秀云,宗群,刘文静

  深空探测航天器是发展空间技术、 扩展人类探索疆域的重要工具。 航天器运行过程中一旦发生故障， 极易导致探测活动失败甚至航天器损毁,而对航天器进行早期微小故障诊断， 可以有效预防重大故障的发生，对于深空探测活动的顺利进行具有十分重要的意义。本文针对模型参数不确定下的深空探测航天器系统，提出一种闭环主动故障检测方法，实现对微小故障的准确检测。通过设计合适的辅助输入信号，分别注入标称和故障模型系统，使故障系统的输出与标称系统的输出无交集，以达到故障检测的目的。此外，为减小对深空探测航天器系统产生的影响，所设计的辅助信号必须尽可能小。通过对两方面需求的考虑，在传统开环研究的基础上，加入观测器建立闭环系统，在提升对微小故障的检测能力的同时减小对系统的影响。最后，利用深空探测航天器的数学仿真验证了所提闭环方法对微小故障的检测能力，并与传统开环方法进行了对比，结果表明闭环辅助信号具有更优的性能。

• 深空探测航天器姿态控制系统故障定位

  叶正宇,程月华,韩笑冬,姜斌

  执行机构与敏感器故障检测与定位是深空探测任务卫星平台可靠运行的前提和保障。本文从数据的角度出发，结合姿控系统工作机理，提出一种基于神经网络和支持向量机结合的故障诊断方法用于检测并定位故障。故障诊断方法分为3步，首先采集姿控系统的状态信息，采用神经网络对闭环姿控系统中未知动态特性建模并进行预测；然后将姿控系统敏感器信号与神经网络预测输出比较生成残差并提取故障特征；最后采用支持向量机辨识残差特征检测故障，并结合运动学特性分析定位故障。仿真结果表明本文所提方法可以有效提取、辨识故障特征，实现执行器与敏感器的故障检测定位。

• 面向稳定目标的深空探测器可重构性评价与自主重构设计

  徐赫屿,王大轶,李文博,刘成瑞,张科备

  针对现有研究中缺乏指标指导深空探测器控制系统重构策略设计的量化指标的问题，本文研究了在资源受限且不可维修的条件下，面向稳定目标的深空探测器可重构性评价和自主重构设计问题。本文将在地面设计阶段考虑深空探测器控制系统的可重构性，并基于可重构性评价指标指导系统的自主重构控制方法，从设计角度提高深空探测器控制系统运行质量。首先通过左右互质分解的技术手段，基于稳定性目标，定量地给出了系统可重构性指标，描述并评价了深空探测器控制系统的重构能力；然后基于所得指标，为控制系统重构设计提供理论参考依据；最后通过数值仿真证明了该方法的有效性和正确性。