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面向空间任务的追踪理论与应用研究

作　者: 杨涛
导　师: 张为华
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 分布式卫星系统循环追踪构形重构反卫星卫星对抗运动伪装隐身轨迹群组型运动隐现抑制
分类号: V448
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本文面向分布式卫星系统构形重构与反卫星卫星对抗任务,借鉴生物运动的追踪策略,开展循环追踪算法在编队构形重构、运动伪装算法在对抗武器隐身轨迹设计方面的理论与应用研究。具体研究内容如下:本文提出了满足分布式卫星系统自主重构要求、具有局部稳定性的构形重构控制算法。引入“虚拟灯塔”导引改进已有非线性循环追踪控制算法,得到兼具构形调整、集体定位功能的“虚拟灯塔”导引非线性循环追踪控制算法;根据两种算法的矛盾性,调整参数设置,使定速的非线性循环追踪、变速的非线性循环追踪、“虚拟灯塔”导引定位三种算法的运动规律及其稳定性得到统一;应用所设计控制算法到全员运动,或成员之一的单员运动,得到编队均可以达到期望构形的结论;对特征值的分析证明,两种受控方式下的系统均具有局部稳定性。结合所设计算法,采用脉冲推力与连续小推力控制,对分布式卫星系统进行构形调整分析。提出平面内采用循环追踪、绕飞面法向施行比例微分反馈的控制律设计方法;配合多脉冲与连续控制方案,对编队向参考中心回收、编队半径大小调整、编队相位调整以及线形编队构形保持等任务进行了仿真分析;根据控制过程中循环追踪算法与“虚拟灯塔”导引算法施行的制约性,给出了控制增益设置建议;由连续小推力一定范围能量不足、循环追踪链一处断裂时的构形调整情况,得到所设计循环追踪相关控制方法具有较高可靠性与稳定性的结论。在个体运动伪装策略的空间任务应用中,主要面向反卫星卫星对抗任务,假设反卫星卫星无测距设备且对抗武器始终呈现点图像,进行了对抗武器隐身轨迹的设计与控制实现研究。建立了对抗武器隐身轨迹的多脉冲控制模型,实现了参数配置优化;分析得到多脉冲的运动伪装更适宜于快速攻击,提出一种在线次最优的最小时间控制策略;为实现隐身轨迹的精确控制,采用连续小推力的控制方式,建立其作用下的空间运动伪装模型;根据其初始相对速率为零的边界条件限制,设计隐身轨迹,对能量消耗最小时的攻击时间值与推力约束下的攻击过程时间可行域进行求解;采用伪谱法优化位置比率曲线,实现无攻击过程时间约束下的能量优化;依据欺骗对象与攻击目标分离的数学原理,建立了基于运动伪装策略的小行星软着陆、硬着陆模型,航天器交会对接模型。空间小型武器的进攻,群组型的方式不仅能提高命中概率,还能有效减弱其图像不为点图像时运动伪装带来的隐现效应。仍假设反卫星卫星无测距设备但能感知图像大小变化,引入组织型、编队型与集团型的群组型运动伪装,建立了分别以时间、距离为指标、按“获取目标信息”与“获取领导者信息”两种方式、位置比率为二次函数的空间线形编队运动伪装模型;结合编队型与集团型群组构成的特点,提出V形集团的运动方式,推导其构形保持与图像隐现抑制下的构形变换模型,对运动过程进行了仿真分析。本文面向循环追踪算法对分布式卫星的构形调整、运动伪装算法设计对抗反卫星卫星武器的隐身轨迹两大任务,系统研究了相应控制算法的理论、模型与应用规律。指出两种算法的适用特点符合现代空间技术的发展方向,因此带给解决相关问题的全新启示。

全文目录

符号列表  4-6
缩略词表  6-11
图目录  11-17
表目录  17-18
摘要  18-20
Abstract  20-22
第一章绪论  22-38
  1.1 引言  22-23
  1.2 研究背景与意义  23-25
    1.2.1 DSS构形重构研究背景  23-24
    1.2.2 反卫星卫星对抗研究背景  24-25
    1.2.3 论文研究意义  25
  1.3 国内外研究现状与发展趋势  25-34
    1.3.1 DSS构形重构算法研究  25-27
    1.3.2 反卫星卫星对抗技术研究  27-28
    1.3.3 追踪算法研究  28-34
  1.4 论文主要内容及创新点  34-38
    1.4.1 论文主要内容  34-36
    1.4.2 主要创新点  36-38
第二章循环追踪算法理论研究与控制模型设计  38-60
  2.1 引言  38
  2.2 基本定义  38-39
  2.3 “虚拟灯塔”导引非线性循环追踪控制律设计  39-44
    2.3.1 算法设计思路  39-41
    2.3.2 NlCyP&BG模型改进  41-44
  2.4 全员“虚拟灯塔”导引非线性循环追踪控制律设计及其稳定性分析  44-55
    2.4.1 控制模型建立  44-45
    2.4.2 辅助定理  45-46
    2.4.3 稳定性分析  46-53
    2.4.4 仿真实例  53-55
  2.5 单员“虚拟灯塔”导引非线性循环追踪控制律设计及其稳定性分析  55-59
    2.5.1 控制模型建立  55-57
    2.5.2 稳定性分析  57-59
  2.6 小结  59-60
第三章循环追踪控制在DSS构形重构中的应用研究  60-91
  3.1 引言  60
  3.2 基于循环追踪算法的DSS平面内构形调整控制律设计  60-63
    3.2.1 坐标系及相对运动方程  61
    3.2.2 参考平面与绕飞平面转换  61-62
    3.2.3 基于循环追踪算法的空间控制律设计  62-63
  3.3 基于循环追踪算法的DSS平面内构形调整任务规划  63-65
  3.4 基于循环追踪算法的DSS平面内构形调整仿真分析  65-90
    3.4.1 任务一：编队回收至参考中心  65-69
    3.4.2 任务二：编队半径大小不变对称相位调整  69-72
    3.4.3 任务三：编队半径调整  72-77
    3.4.4 任务四：编队中心固定在参考中心的对称相位调整  77-83
    3.4.5 任务五：编队中心固定在参考中心的不对称相位调整  83-87
    3.4.6 任务六：成员绕飞轨道相异的构形保持  87-88
    3.4.7 仿真分析结论  88-90
  3.5 小结  90-91
第四章个体运动伪装空间应用研究  91-122
  4.1 引言  91
  4.2 运动伪装基本原理与轨迹影响因素  91-95
    4.2.1 运动伪装数学模型  91-92
    4.2.2 轨迹实现影响因素分析  92-95
  4.3 多脉冲推进隐身轨迹研究  95-100
    4.3.1 坐标系及基本假设  95
    4.3.2 仿真计算模型  95-98
    4.3.3 仿真结果分析  98-100
  4.4 在线次最优最小时间控制策略  100-105
    4.4.1 模型建立方法  101-102
    4.4.2 优化模型与计算步骤  102-104
    4.4.3 仿真结果分析  104-105
  4.5 连续小推力控制隐身轨迹设计  105-107
    4.5.1 空间相对运动隐身轨迹模型  105-107
    4.5.2 仿真计算分析  107
  4.6 边界条件限制的特殊隐身轨迹  107-110
    4.6.1 隐身轨迹数学模型  107-109
    4.6.2 仿真计算分析  109-110
  4.7 连续小推力隐身轨迹能量优化控制  110-114
    4.7.1 最优控制问题一般描述  110-113
    4.7.2 仿真验证与分析  113-114
  4.8 运动伪装算法的其它空间任务应用  114-120
    4.8.1 伪装目标与攻击目标分离的运动模型  115
    4.8.2 小行星着陆  115-118
    4.8.3 飞行器交会对接  118-120
  4.9 小结  120-122
第五章群组隐身轨迹与图像隐现抑制研究  122-143
  5.1 引言  122
  5.2 运动伪装飞行器图像隐现抑制  122-126
    5.2.1 隐现效应分析  122-123
    5.2.2 隐现抑制措施  123-126
  5.3 群组进攻运动伪装模型  126-129
    5.3.1 组织型运动伪装  126-127
    5.3.2 编队型运动伪装  127-128
    5.3.3 集团型运动伪装  128-129
  5.4 空间线形编队伪装轨迹实现  129-138
    5.4.1 基础理论  129-131
    5.4.2 时间指标编队数学模型  131-133
    5.4.3 距离指标编队数学模型  133-135
    5.4.4 图像隐现模型  135
    5.4.5 仿真计算分析  135-138
  5.5 空间V形集团伪装轨迹实现  138-142
    5.5.1 V形保持控制模型  138-139
    5.5.2 V形变换抑制图像隐现  139-140
    5.5.3 仿真计算分析  140-142
  5.6 小结  142-143
第六章总结与展望  143-146
  6.1 论文主要贡献  143-144
  6.2 进一步工作的展望  144-146
致谢  146-147
参考文献  147-156
作者在学期间取得的学术成果  156-157
附录A LCyP控制模型  157-159
附录B NlCyP控制模型  159-164
附录C BG控制模型  164-165

面向空间任务的追踪理论与应用研究

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