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附着小天体的最优制导控制方法

江秀强,陶婷,杨威,李爽

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文章导航> 深空探测学报(中英文）> 2015> 2(1): 53-60
江秀强, 陶婷, 杨威, 李爽. 附着小天体的最优制导控制方法[J]. 深空探测学报(中英文）, 2015, 2(1): 53-60. doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2015.01.008
引用本文: 江秀强, 陶婷, 杨威, 李爽. 附着小天体的最优制导控制方法[J]. 深空探测学报(中英文）, 2015, 2(1): 53-60.doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2015.01.008
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JIANG Xiuqiang, TAO Ting, YANG Wei, LI Shuang. Optimal Guidance Control Strategies for Spacecraft Attaches to A Small Body[J]. Journal of Deep Space Exploration, 2015, 2(1): 53-60. doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2015.01.008
Citation: JIANG Xiuqiang, TAO Ting, YANG Wei, LI Shuang. Optimal Guidance Control Strategies for Spacecraft Attaches to A Small Body[J].Journal of Deep Space Exploration, 2015, 2(1): 53-60.doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2015.01.008
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附着小天体的最优制导控制方法

doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2015.01.008

  • 南京航空航天大学 航天学院, 南京 210016;南京航空航天大学 航天新技术实验室, 南京 210016

基金项目:国家自然科学基金资助项目(61273051, 60804057);国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2011AA7034057E,2012AA121601);上海航天科技创新基金项目(SAST201213)

Optimal Guidance Control Strategies for Spacecraft Attaches to A Small Body

  • College of Astronautics, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China;Space New Technology Laboratory, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China

  • 摘要:以小天体伴飞附着任务为工程背景,针对探测器在小天体复杂弱引力场条件下附着这一难题,研究了最优制导控制策略。首先,考虑在小天体极区实施附着任务,建立并简化动力学模型,给出约束条件和基于时间-燃耗最优的混合性能指标要求。然后,采用相平面法设计了最优制导律,利用极限环设计最优开关控制律;同时,采用高斯伪谱法把附着小天体的最优制导问题转化成非线性规划问题,利用Matlab/GPOPS优化工具包求取最优数值解。最后,加入已有的基于矢量测量的自主光学导航模块构建GNC仿真回路,对两种最优制导控制策略进行仿真验证。结果表明:两种制导控制策略都能满足任务要求,但基于相平面法得到的最优制导控制具有一定风险,而基于高斯伪谱法得到的最优制导控制精度更高、燃耗更少,适于工程应用。
    Abstract:The issue of spacecraft attaching to a small body with complex weak gravitation field is challenging. In this paper, two optimal guidance control strategies are addressed with the mission background of accompany flight and attaching to a small body. First, taking the attaching mission in polar area of small body into consideration, dynamics model is constructed and simplified, as well as the constraints and time-fuel integrated optimal performance index is described. Secondly, phase plane method (PPM) is used to design optimal guidance, and optimal on-off control is given by limit circle. Next, Gauss pseudospectral method (GPM) is utilized to transform optimal guidance problem into nonlinear program (NLP) problem, and MATLAB/GPOPS optimal tool software package is utilized to obtain the numerical solution of guidance. Finally, the vector measurement based autonomous optical navigation given in the previous work is introduced to GNC simulation loop, and the two optimal guidance control strategies are verified. Simulation results show that both of them meet the requirement of mission, but the phase plane method based optimal guidance control is a little risky, while the Gauss pseudospectral method based optimal guidance control has a lower fuel consumption and higher accuracy, so the latter is feasible for engineering practice.
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    [3] 郭绍刚, 李林, 朱飞虎, 王立, 张运方, 赵琴, 郑岩, 马月超, 张恒康.小天体激光地形测绘与导航一体化设计方法. 深空探测学报(中英文）, 2022, 9(4): 417-426.doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220041
    [4] 尚海滨, 韦炳威, 卢榉承.小天体引力场建模技术进展. 深空探测学报(中英文）, 2022, 9(4): 359-372.doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220074
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    [16] 袁旭, 朱圣英, 崔平远.小天体自主附着多滑模面鲁棒制导方法研究. 深空探测学报(中英文）, 2015, 2(4): 345-351.doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2015.04.008
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出版历程
  • 收稿日期:2014-12-26
  • 修回日期:2015-02-20

附着小天体的最优制导控制方法

doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2015.01.008
  • 南京航空航天大学 航天学院, 南京 210016;南京航空航天大学 航天新技术实验室, 南京 210016
    • 基金项目:国家自然科学基金资助项目(61273051, 60804057);国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2011AA7034057E,2012AA121601);上海航天科技创新基金项目(SAST201213)
  • 收稿日期:2014-12-26
  • 修回日期:2015-02-20

摘要:以小天体伴飞附着任务为工程背景,针对探测器在小天体复杂弱引力场条件下附着这一难题,研究了最优制导控制策略。首先,考虑在小天体极区实施附着任务,建立并简化动力学模型,给出约束条件和基于时间-燃耗最优的混合性能指标要求。然后,采用相平面法设计了最优制导律,利用极限环设计最优开关控制律;同时,采用高斯伪谱法把附着小天体的最优制导问题转化成非线性规划问题,利用Matlab/GPOPS优化工具包求取最优数值解。最后,加入已有的基于矢量测量的自主光学导航模块构建GNC仿真回路,对两种最优制导控制策略进行仿真验证。结果表明:两种制导控制策略都能满足任务要求,但基于相平面法得到的最优制导控制具有一定风险,而基于高斯伪谱法得到的最优制导控制精度更高、燃耗更少,适于工程应用。

English Abstract

江秀强, 陶婷, 杨威, 李爽. 附着小天体的最优制导控制方法[J]. 深空探测学报(中英文）, 2015, 2(1): 53-60. doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2015.01.008
引用本文: 江秀强, 陶婷, 杨威, 李爽. 附着小天体的最优制导控制方法[J]. 深空探测学报(中英文）, 2015, 2(1): 53-60.doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2015.01.008
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JIANG Xiuqiang, TAO Ting, YANG Wei, LI Shuang. Optimal Guidance Control Strategies for Spacecraft Attaches to A Small Body[J]. Journal of Deep Space Exploration, 2015, 2(1): 53-60. doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2015.01.008
Citation: JIANG Xiuqiang, TAO Ting, YANG Wei, LI Shuang. Optimal Guidance Control Strategies for Spacecraft Attaches to A Small Body[J].Journal of Deep Space Exploration, 2015, 2(1): 53-60.doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2015.01.008
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