2012年CB821200 空间合作目标运动再现中跨尺度控制的前沿数学问题.doc

项目名称： 空间合作目标运动再现中跨尺度控制的前沿数学问题 贾英民 北京航空航天大学 2012.1-2016.8 依托部门： 中华人民共和国工业和信息化部   二、预期目标 1.总体目标 本项目以《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中16个重大专项之一的“载人航天与探月工程”国家战略需求为牵引，以空间合作为主题，基于地面高精确、强机动的先进运动控制技术，系统提出空间合作目标运动再现的机理与模式，在相关跨尺度控制的前沿数学问题上取得具有创新性的成果，为我国空间科学研究提供研究基础和关键技术支撑平台，促进未来空间合作实验先期在地面更多、更为逼真地进行，以降低其型号研制风险，提高可靠性，缩短研究周期，节省投资，使我国在相关领域的研究成果进入国际领先行列；培养和建立一支学术水平高、创新能力强的研究人才队伍，为我国未来开展空间科学研究提供人才储备，为我国数学与控制服务于国家需求开拓更大的空间，大幅度提升我国的制天能力和可持续发展的潜力。 2.五年预期目标 (1).建立空间合作目标跨尺度运动再现所需的动力学和运动学模型。突出描述系统参数的变化、外部干扰的施加、模型的非线性，控制器的耦合作用等各类跨尺度建模特征。 (2).提出空间微重力环境与地面运动环境的相似因素，确定动力学与运动学的等效原理与模式，导出相似因素之间的数学关联，提出空间合作目标跨尺度运动再现的相似方法，并发展运动再现中基座驱动与转向的新模式以满足合作目标的变轨变速要求。 (3) 提出跨尺度滤波方法跨尺度干扰控制方法，航天器变轨过程中位置速度与姿态估计。 三、研究方案 1．学术思路 本项目旨在全面系统地研究空间合作目标运动再现中跨尺度控制的前沿数学问题及方法，学术思路主要体现在如下四个方面： (1).以空间合作为背景，利用在系统描述、优化、计算、干扰抑制等方面的优势和先进运动控制技术，瞄准运动再现目标，探讨与跨尺度控制相关的关键性、基础性的前沿数学问题，如微重力补偿和运动控制中的建模、优化、计算、协调与数据融合等，确定研究内容和技术路线。 (2).面向研究成果的可用性和可实现性开展工作。立足现有的基础理论储备、技术储备以及各类机电产品市场提供等基础上，确保每项研究进展能够通过现有条件再现出来，且具有开放性。研制出原理验证系统或样机。 (3).多学科交叉融合、强强联合的合作思路。针对空间合作目标运动再现的核心技术，围绕三个科学问题，四项研究内容，采取联合航空航天、数学、控制、信息科学等学科交叉融合的思路，通过各学科实力雄厚的科研单位强强联合，取得原创性成果。 (4).以解决运动再现瓶颈问题为突破口开展研究。针对未来空间合作的国家需求，抓住其跨尺度控制的特征，突破现阶段制约运动再现研究的瓶颈，提出新思路、新方法和新模式，获得新结果，为推动空间合作科学研究的快速发展奠定坚实的理论基础。 2．技术途径 (1).跨尺度微重力补偿的数学计算与实现 首先通过分析和提取空间与地面运动环境的相似因素，导出相似因素之间的数学关联，发展系统相似方法，然后利用精确的动力学模型计算微重力环境下空间飞行器的运动情况，采用运动学等效的地面基座实现空间合作目标的跨尺度运动再现，同时，寻求伴随主运动所产生附加运动影响的有效抑制方法。其中，根据基座在轨道不同位置具有不同速度的情况，提出应用多种采样速率的跨尺度控制策略，而对于地面跨尺度环境下的运动基座，现有的驱动和换向模式还不能满足要求，必须在综合优化目标下寻求新的换向与驱动方法，用以完成基座与随动重力补偿系统的运动协调。 (2).受控多体系统的跨尺度建模 基于多体系统的拓扑构形及动力学理论，建立受控多体系统之间的相对运动学关系，研究系统约束变化引起的多体系统变结构过程，以及坐标变换引起的动力学模型中非线性项对系统的跨尺度影响。这需要考虑不确定性因素的影响，如系统参数的变化、建模误差、外部干扰、模型的非线性等跨尺度描述。由于空间合作目标运动再现是一个复杂大系统，其中部分子系统有时是难于精确建模的，但是对此却存在一定数量的离线观测和实验数据，这些数据对修正动力学模型通常是有帮助的，应找出合理的数据使用方法。 (3).运动再现中的跨尺度协调控制与优化 在目标信息的测量方案确定后，建立基于运动状态矢量和敏感器系统偏差的跨尺度随机动态模型，研究跨尺度非线性滤波算法，在线估计目标的相对位姿信息。基于量测信息，研究运动再现中的跨尺度协调控制与优化算法，这包括基座运动的跨尺度协调与优化，控制任务的跨尺度协调与优化以及异类系统的跨尺度协调与优化等。 (4).网络与图像信息的快速跨尺度融合 针对目标之间交互使用的量测图像信息，利用小波变换方法进行多分辨率分解，建立图像的跨尺度数据结构，使得处理后的图像更有利于获取目标区域的特征属