1、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首席科学家： 贾英民 北京航空航天大学起止年限： 2012.1-2016.8依托部门： 中华人民共和国工业和信息化部一、关键科学问题及研究内容科学问题一：跨尺度运动环境建立的相似因素及数学表征开展空间合作目标的运动再现研究，首先需要建立运动环境，即如何将空间微重力环境对不同合作目标的轨道运动在地面通过基座运动的方式近似出来。运动环境的一个主要特征是跨尺度。这主要表现在时间与空间上的跨尺度，基座轨道运行中多倍速度变化之差带来的跨尺度，基座与超低速运行的重力补偿系统间快慢子系统跨尺度，以及不同控制方案施加的跨尺度等。这种跨尺度无疑给理论分析
2、和系统实现都带来了很大的困难。运动环境的建立主要是采用数学模型计算微重力环境下应产生的运动，然后借助外力使模型产生相应的运动。这里所涉及的数学问题主要是指动力学计算和运动学等效。采用动力学计算和运动学等效的数学表征方法的最大优点是它不受几何参数和质量特性的限制。同时，导致的试验系统结构相对简单、成本低、灵活性强、易 扩展，可采用商业产品实现。科学问题二：运动规划中的跨尺度建模、优化与控制开展空间合作目标的运动再现研究，做好运动规划无疑是至关重要的，即如何将参与合作的目标飞行器和追踪飞行器双方在满足期望要求的条件下协调运行。运动规划中的跨尺度特征主要表现在对象建模中低阶参数变化与高阶未建模误差描
3、述的跨尺度，不同系统层次的跨尺度， 连续-离散混杂系统的跨尺度，信号滤波的跨尺度，系统多率采样的跨尺度， 变结构与切换控制的跨尺度，多种目标优化的跨尺度等。此外，变轨是运动规划中需要考虑的另一典型特征，从控制的观点来讲，一个完整的空间合作过程需要四个阶段，即地面引导阶段，自 动寻的阶段，最后逼近阶段与合作阶段。概括地 说，这 些任务是通过追踪飞行器的轨道改变，即变轨来实现的，这就意味着变轨自始至终贯穿着整个合作过程，同时，伴随着变速变轨，两飞行器信息的精确获取也是十分重要的，且需要确定不同阶段能获得和提取哪些量测量，尤其是自动寻的过程。科学问题三：运动信息的多源跨尺度数据融合开展空间合作目标的
4、运动再现研究，各个子系统之间相关信息的获取、传输和处理是无法回避的研究问题。运动信息中的跨尺度特征主要表现在图像的跨尺度描述，多源信息融合的跨尺度处理，以及网 络环境下跨尺度几何网络信息模型的建立等。从数学的观点来看，下面三种不同 类别的数据处理是需要的。第一，空间数据内插。根据一组已知的离散数据或分区数据，按照某种数学关系推求出其他未知点或未知区域的数学过程；第二，非完成信息处理。由于信道上的干扰或接收系统所限，人们仅能知道信息所呈现的大致范围，而不知其全部的确切内容。这在处理某个问题时，不必要也不可能得到有关的全部信息， 导致信息的非完整性；第三，跨尺度多源信息的数据融合。空间合作运动是一
5、个多传感器系统，具有数据形式上的多样性，数量上的海量性，信息关系上的复 杂性，以及数据处理要求的及时性等特点，这都大大增加了信息处理的困难。围绕上述三个关键科学问题，我们将空间合作目标运动再现中跨尺度控制的前沿数学问题的主要研究内容分解为以下四个方面： (1) 跨尺度微重力补偿的数学计算及实现 空间合作目标的运动再现需将空间微重力环境对航天器轨道运行的影响在地面通过基座运动的方式再现出来。显然， 这种再现 的关键之一是运动物体的重力补偿方法。这样，需要考虑三个方面的问题：1）空 间微重力环境带给目标飞行器与追踪飞行器的同轨同速运行；2）精确路径跟踪的鲁棒性；3）地面基座的新型换向与驱动模式。(
6、2) 受控多体系统的跨尺度数学建模空间合作过程是受控多体系统的一个特例。受控多体系统既涉及到受控单体之间复杂动力学行为的描述，同时也对数学与控制论带来了许多崭新的课题。主要研究内容包括：1）动力学建模过程中涉及到动力学与控制策略的耦合问题; 2）系统运动过程中拓扑构形的突变问题；3）飞行器变化的速度对系统径向、侧向、俯仰以及翻滚运动的影响。(3) 运动再现中的跨尺度协调控制与优化 空间合作目标运动再现研究涉及到多个子系统组成的大系统协调控制与优化。由于整个运动再现系统 是由不同类别、不同 层次、不同结构的子系统组成的复杂大系统，因此需要采取跨尺度控制策略。主要研究内容包括：1) 多个子系统的跨
7、尺度协调方案研究；2）综合目标的跨尺度优化研究；3）控制策略实施的调度与决策研究。 (4) 网络与图像信息的快速跨尺度融合 在空间合作过程中，各子系统之间相对位置信息是通过CCD等敏感器获取的。这样 ，图像的数字采集、传输与处理的速度与质 量将会直接关系到系统最终运行的效果。为了使系统运行最终达到精确控制、快速反应、 稳定运行、安全可靠的目标，必须对上述图像的采集、传输与处理过程中的每一步给予仔细的考虑，做出图像处理的编制与确定。主要研究内容包括：1）运动图像的插值与重建研究；2）非完整信息跨尺度补偿及噪声滤波；3) 数字图像的跨尺度融合研究。二、预期目标1.总体目标 本项目以国家中长期科学和
8、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
9、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) 提出面向空间变轨 的多源跨尺度非线性滤波方法，与变轨匹配的跨尺度鲁棒滤波方法以及跨尺度干扰鲁棒抑制控制方法，实现航天器变轨过程中位置、速度与
10、姿态的信息估计与控制。(4).提出空 间合作目标运动再现过程中图像采集、传输与跨尺度融合处理的有效方法，包括图像的插值与重建，数字 图像的融合，以及非完整信息 补偿及噪声去除等。建议的方法应对参数变化和外界干扰具有满意的鲁棒性能。 (5).提出空 间合作目标运动再现中多系统、多目标的跨尺度协调优化方案，研制典型合作任务的地面原理验证样机，不仅再现出微重力环境下的失重特征，同时也能不受时间和空间的限制。 (6).项目总 体研究水平进入国际先进行列。形成一支具有国际影响力的研究队伍，培养一批学术水平高、创新能力强的中青年学术带头人包括杰出青年基金获得者、教育部 “长江学者” 特聘教授和 “教育部新
11、世 纪优秀人才” 等2-4名，培养高水平博士研究生30-40人。在国内外重要刊物和一流国际会议上发表论文400篇以上，其中SCI/EI收录300 篇以上，撰写专著6本以上，申请发明专利与软件著作权登记60项以上。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
12、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，
13、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
14、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
15、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性。这需要研究运动图 像的数学变换，运 动图 像的插值，增 强和重建以及运动图像的非完整信息跨尺度补偿及噪声去除等问题。3创新点与特色本课题
16、的主要创新点与特色可以分为两个大的方面：原理创新和方法创新。 (1).原理创新与特色 1). 提出利用先进的运动控制技术实现空间微重力环境下合作目标的地面 “运动再现”是突出的原理 创新。相比存在的气浮、液浮、落塔等平台具有微重力时间和运动空间不受限制的优点，对推动和加快我国空间合作研究具 有不可代替的基础平台意义。同时，它也为近年来在数学、控制、计算机、网络、机器人、电子通信、航天等方面取得的重要基础成果在这一前沿交叉问题上找到了更大的应用空间。 2). 提出通过航天器动力学计算和运动学等效方法，将空间微重力环境通过变轨带给空间合作目标的同轨同速运行由地面自由基座的运动加以跨尺度实现是本项目
17、的另一原理创新。这种天地之间相似与数学关联，与存在的直接产生微重力环境和固定基座移动的方法相比是简单易行的。 3). 提出了运动图像跨尺度意义下内插，外推， 预测三位一体相结合的全方位补偿方法。这对非完整信息的重建过程中在有效减少计算量，提高图像清晰度，加快处理速度等方面具有一般的意义。 (2).方法创新与特色 1). 提出一种新的跨尺度系统综合集成方法。包括异类系统集成，控制任务集成等。空间合作目标的跨尺度运动再现技术是一种真正意义下的多子系统集成的大系统或复杂系统，这对检验多变量系统协调控制以及子系统设计的全局优化性能是非常重要的，也是目前极为缺少的。 2). 提出运动再现的一种鲁棒H2/
18、H 混合干扰抑制方法。不仅保证针对参数 变化和未建模误差的跨尺度描述的鲁棒性，还要保证降低外界能量有限的干扰信号以及随机干扰的影响在容许的范围之内。3). 提出跨尺度优化方法。利用能达集与时间最优控制的联系，研究离散线性切换系统在输入受限时的优化问题，建立新的最优控制律的计算方法。研究线性、非线性混杂系统的各种优化问题。 4可行性分析(1).研究需求迫切。本项的主要研究内容密切相关于 国家中长期科学与技术发展规划纲要中十六个重大专项之一的“载人航天与探月工程” 。按照我国载人航天工程“ 三步走” 的战 略，只有在突破载人飞船和空间飞行器的交会对接技术，才能最后实现在太空中建造一个20吨级，长期
19、有人照料的空间站。国内急需在相关基础研究方面开展大量深入细致的攻关，在不太长的时间内突破和掌握以交会对接为核心的空间合作过程关键技术，实现我国载人航天工程的跨跃式发展，提升我国的制天能力。 (2).研究基 础雄厚。项目申请和参加单位在数学、力学、控制、航天、计算机、网络等相关领域具有很好的研究基础并取得了一系列研究成果，积累了丰富的研究经验。尤其在空间合作基础理论研究方面，完成和正在承担着国家自然科学基金重大研究计划、国家自然科学基金重点项目、国防基础研究项目，国防 863项目等一批重要项目，取得了重要的进展，具 备完成本项研究的基础和能力；在应用方面，我国载人飞船控制系统的部分骨干研究人员都
20、加入了本项目的研究团队，具有丰富的实际工作经验。事 实上，本项目是申 请团队在以往合作研究工作基础上的深入和延续，所提出的研究内容也正是基于团队主要成员在空间运动控制合作研究的基础上综合提出的。围绕上述研究方案，团队已开展了一定的预备性研究，并形成了一些重要的共识，表明其研究思想和方法具有一定的潜力，研究计划是可行的。 (3).研究目 标明确。本项目以空间合作为主题，瞄准其跨尺度特征，采用地面高精确、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基础理论上有突破，关 键技术上有创新，重大 应用上有贡献，为我国的空间科学研究提供基础研究成果和技术支撑平台
21、。 (4).研究思路清晰。本项目围绕三个关键科学问题和四项重要研究内容，对空间合作跨尺度运动再现所涉及的建模，动力学计算，运动学等效，运 动规划，控制，优化及信息融合等相关前沿数学问题开展研究，系统提出空间合作跨尺度运动再现的方法，形成相应的运动再现技术体系。 (5).研究条件具 备。本项目的主要承担单位均是国内知名的高水平大学和专业研究院所，拥有一个国家实验室和多个国家、部 级重点实验室及国家重点学科。各承担单位都具有先进的仪器设备和良好的实验环境，特别具备针对空间合作目标运动再现中跨尺度控制的前沿数学问题开展其基础研究和实验研究的条件。(6). 研究 队伍优秀。本项目由中青年科学家担任首席
22、科学家和课题负责人，学术骨干由多位在国内外具有相当研究实力的中青年专家如长江学者、杰出青年科学基金获得者、著名教授、博导等，和一批具有博士学位的青年学者 组成。拥有两个国家自然科学基金委员会创新团队和两个教育部创新团队。整个研究队伍年龄结构合理、学术水平高，具有完成本项目的人力保障。 5课题设置本项目的课题设置将围绕项目的总体目标，针对三个关键科学问题和四项研究内容，结合参与研究单 位的优势与特点， 进行有机分解，确保每个课题之间密切联系。 课题组在保持一定相对独立性的同时，共同推进项目进展。本 项目分解的六个课题，各课题与研究内容之间的内在联系如下图所示。具体来说包括： 1. 课题1和2分别
23、强调了地面微重力补偿的理论研究和验证系统的实现。事实上，地面验证系统就其硬件来说包括两部分，一部分为运动基座，另一部分 为吊丝综合机电系统。由于运动基座最为基本和重要，所以设置课题2专门研究其驱动与转向模式以及变速运动下的精确跟踪问题。相比之下，课题1的验证内容主要是吊丝综合机电系统的抗干扰设计等问题。课题1和2的理论部分支撑了科学问题一，理论和验证系统一起支撑了主要研究内容1。 2. 课题3和4分别强调了运动再现中的跨尺度建模与跨尺度控制和优化。其中，跨尺度建模既是数学问题，又是控制科学的重要研究内容。 优化与协调控制密切相关，同时也是数学的研究内容。课题1和2不仅共同支撑了科学问题二，也与
24、其它课题一起支撑了研究内容2和3。 3. 课题5和6分别强调了运动再现中的信息测量获取和滤波以及网络和图像等多源信息融合在目标识别（如位置、姿态和速度等）与决策中的应用。这部分内容主要研究合作目标双方之间如何进行信息交换和相互影响，是跨尺度控制的重要组成部分。涉及的滤波、数据融合等都是典型是数学问题。 课题5和6不仅共同支撑了科学问题三，也主要支撑了研究内容4。 4. 综上可以看出，本项目设置的六个课题是一个有机的整体，是实现运动再现目标的不同方面，不同类别，不同 层次的表现方式,存在因果链关系，而 贯穿始终的跨尺度控制所涉及的前沿数学问题则进一步强化了各课题之间的联系。 课题1：微重力环境的
25、要素构成与跨尺度微重力补偿的数学计算 研究目标：空间合作目标运动再现需要将空间的微重力环境带给合作目标的影响在地面通过基座运动的方式再现出来。这种再现技术不仅需要考 虑对像的跨尺度建模和描述，而且还要考虑物体的重力 补偿方法，并要通过运动控制加以实现。 课题目标是提取空间与地面运动环境的相似因素， 导出相似因素之 间的数学表征与关联，系 统提出物体的微重力 补偿方法，完成相关的系统设计与数学计算。 研究内容：(1).提取空 间与地面跨尺度运动环境的相似因素，导出相似因素之间的数学表征与关联，发展系统的相似方法，给出空地间的跨尺度描述，高低阶不确定性跨尺度描述，时间和运动速度上的跨尺度描述，确定
26、与随机干扰的跨尺度描述，以整体实现空间合作目标运动再现的跨尺度建模。 (2).空地动 力学计算与运动学的等效模式，即通过精确的动力学模型计算微重力环境下空间合作目标的运动情况，再通过运动学等效的地面运动装置实现空间合作过程的运动再现。特别，不同的运 动学等效模式将导致不同的运动再现方法和再现效果。 (3).随动补偿 系统的附加运动影响。补偿系统是一个由主系统和附加系统等不同层次结构组成的跨尺度系统，给系统建模与优化带来了困难。例如， 为了实现悬挂点的精确跟踪，悬挂末端的速度、加速度和控制电机运动各分量间的关系是必要的。此外，当用磁浮方法补偿时，其相应的姿 态控制也富有挑战性。(4). 随动 重
27、力补偿系统的碰撞、同步跟踪和振动抑制。重力补偿系统或是通过吊丝和悬挂体在水平内的相同位置做持久同步运动来保证重力补偿的拉力竖直向上，或是通过磁悬浮获得与重力相等的浮力。但是，当 悬挂体或悬浮体受到随机碰撞时，由于峰值较大和运动的不确定性，加之实时测量碰撞信息具有一定的难度，需要寻求有效的设计和计算方法。承担单位：北京航空航天大学、北京控制工程研究所 课题负责人：贾英民 经费比例：23.8% 课题2：跨尺度微重力补偿实现的基座控制 研究目标：空间合作目标在轨道上是变速运行的且其速度变化之差是大的，导致地面用于微重力补偿实现的基座在较大的速度范围内变速运行，突显时间与速度的跨尺度运行特征。现有可用
28、作基座的 车辆、机器人等装置的换向和驱动模式在满足跨尺度运行特征要求方面具有很大的限制。课题目标 是研究跨尺度微重力补偿实现所需求的运动基座的新型转向与驱动模式，保 证 跨尺度运动再现的跟踪与变速等性能满足要求。 研究内容：(1).运动基座非完整 约束下的建模。运动基座是一个多变量、非线性、强耦合且受非完整约束的系统。需要发展基于受控拉格朗日函数的二阶非完整力学系统的设计方法，采取解耦补偿等措施保证系统的跟踪精度和动态机动性能。 (2).运动基座跨尺度 稳定运行。基座运行过程中，当速度跨尺度变化时，将会诱导出不同类别的扰动，使得跟踪精度和速度的控制难度大大增加，系统稳定性能变坏，需要针对诱导扰
29、动提出有效的增稳方法，定性和定量给出其稳定裕度分析。(3).运动基座的新型 转向与驱动模式。对于地面跨尺度环境下运动基座，现有的换向和驱动原理还不能满足要求，需要提出新的换向与驱动方法以改进现有的转向结构及其差速模式，动力布局及其驱动模式，控制作用与切换模式等有关跨尺度问题。 (4).运动基座的 宽调速性能。宽调速与运动基座良好的速度机动性能密不可分。为确保合作任务成功完成，需要在地面充分 验证和评估运动基座的路径规划和控制算法，且避开合作目标的动力学奇异点。运 动基座避奇异的规划算法是复杂的，给算法设计带来了许多困难。 承担单位：吉林大学、北京航空航天大学、北京大学 课题负责人：陈虹 经费比
30、例：15.6% 课题3：空间多关联运动体跨尺度建模与控制 研究目标： 空间合作过程是受控多体系统的一个特例。受控多体系统的建模涉及到从受控个体的局部运动到耦合关联系统的整体复杂动态行为这样一个跨尺度动力学的描述，给数学上提出了 许多崭新的课题。建模 过 程中特别需要考虑系统整体的信息关联拓扑结构及其动力学与控制策略的耦合问题。课题目标是期望建立满足空间合作目标运动再现跨尺度控制所需要的基本数学模型，并由此提出目标需求下的控制方案等。 研究内容：(1).基于多体系 统时变的拓扑构形和信息关联结构，建立受控多体系统之间的相对运动学关系和在控制器耦合作用下的系统跨尺度动力学模型，分析由单体运动耦合产
31、生期望的系统整体运动的机理和方法，包括目标姿态控制的优化，基于跨尺度动态模型的变结构控制策略等。 (2).基于冲 击动力学理论和动量平衡方程研究由于系统的约束变化引起的多体系统的变结构过程。把冲击响应作为扰动项建立冲击动力学与控制的跨尺度模型，分析冲击响应下受控系统运动的鲁棒性，及其坐标变换引起的动力学模型中的非线性项对系统响应的影响。 (3).不确定性因素等复杂特征对受控性能的影响，如系统惯量阵摄动等参数变化、外部干扰、模型结构变化，非线性动态、分布式信息结构，分层控制策略等因素的作用。同时，在能量消耗和控制精度的最佳匹配问题， 输入饱和受限的控制问题以及鲁棒控制综合等方面开展研究。 (4)
32、.多率采 样的跨尺度控制。揭示不同子系统采样速率之间的关系，提出采样速率的优选策略，建立大系统多率采样的跨尺度表示模型；研究多速率采样系统的状态估计算法以及多速率鲁棒控制器的优化设计方法，实现单速率系统难以完成的控制任务。 承担单位：北京大学、北京科技大学 课题负责人：王龙 经费比例：13.9% 课题4：运动规划中的跨尺度协调控制与优化 研究目标： 空间合作目标运动再现研究涉及到多个不同尺度的子系统，如前述微重力补偿中的由主系统和附加系统组成的不同层次的跨尺度子系统，转动和平移不同结构的跨尺度子系统等等。 课题目标是针对运动再现中的各类装置和合作任务，提出并解决相应异类系 统的跨尺度协调控制和
33、优化问题。 研究内容： (1).双基座的 协调控制及优化算法。探索目标基座与追踪基座跨尺度的数据结构，设计协调方案及优化算法，满足在任意初始位置条件下，能以最快速度达到同轨同速运动，且其驱动信号需受控于由图像处理识别出的物体位置和速度。 (2).控制任 务的跨尺度协调控制及优化算法。针对具有不同响应时间和执行时间的“快-慢” 刚性跨尺度系 统， 设计满足控制任务的协调方案及优化算法。包括变轨过程中的速度控制，高精度快速姿态控制，运 动装置的同步控制，以及携 带摄像机的三轴转台自动跟踪控制等。 (3).异类系 统的跨尺度协调控制及优化算法。空间合作过程是基于优化目标的离散决策过程与连续变量调节相
34、结合的混杂系统行为，需要探索异类系统物理结构和动态行为的本质特征分布规律特，确定统一的跨尺度优化描述，设计大系统的协调方案及优化算法。 (4).大系统 的跨尺度目标优化。探讨各子系统所完成控制任务的优化目标以及它们之间的关系，研究如何确定由不同尺度子系统组成大系统的整体优化目标，在充分考虑占线计算与可实施性的条件下， 为大系统的跨尺度目标优化提供理论基础。 承担单位：杭州电子科技大学、北京航空航天大学、中国科学院数学与系统科学研究院课题负责人：薛安克 经费比例：18.9% 课题5：空间变轨过程中的跨尺度滤波与控制 研究目标：空间合作过程通常分为四个阶段，即地面引导阶段，自动寻的阶段，最后逼近阶
35、段与对接合拢阶段。这 些任务是通过追踪器的轨道改变，即变轨来实现的，这就意味着变轨自始至终贯穿着对接的整个过程。课题目标是研究如何获得航天器变轨所需的精确的位置，速度，姿态信息，并提出相应的轨道与姿态控制方案。 研究内容：(1).目标状 态信息的测量与滤波。根据变轨控制对飞行器相对运动状态的性能要求，提出测量变量的合理选择方案；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，及其在线估计目标的相对位姿信息。 (2).变轨与 滤波方案的匹配研究。结合建立的跨尺度随机动态模型，在满足精度要求的前提下，探讨几种与变轨匹配的跨尺度鲁棒滤波算法，给出容许不确定性的定性
36、与定量分析。通过比较分析各类匹配方案的优缺点，确定在工程上可实现的途径。 (3).变轨运 动中的跨尺度干扰抑制。变轨中遇到的主要干扰包括外部干扰和摩擦转矩干扰。其中，外部干扰分为静态和动态两部分：静态干扰产生于信息采集误差，动态干扰来自运动过程中挠性器件的振动。针对这种动态和静态跨尺度的干扰，期望提出有效的跨尺度抑制方法。 (4).高精度快速跨尺度姿态控制。空间合作过程需要针对合作目标的自旋与三轴姿态等进行姿态控制。高精度快速的跨尺度目标需要发展跨尺度的控制方案来实现。同时，还要综合考虑姿态角度机动的最优轨迹设计方法，以及干 扰影响下的姿态跟踪控制方法等。 承担单位：哈尔滨工业大学、北京控制工
37、程研究所课题负责人：段广仁 经费比例：13.9% 课题6：空间多源数据分析与跨尺度融合 研究目标：在空间合作过程的最后阶段，各个子系统之间相对位置信息是通过CCD敏感器获取的，其图像数据具有不同尺度。图像的采集、传输以及如何融合测控网络提供的视频、文本等不同尺度下的多源信息将会直接关系到系统的最终运行效果。课题 目标是提出有效的 图像跨尺度描述方法以及跨尺度融合算法，使系统运行最终达到精确控制、快速反应、 稳定运行、安全可靠。研究内容： (1).运动图 像的跨尺度描述。利用小波变换方法对图像进行多分辨率分解，即根据需要将源图像中的高频分量和低频分量进行不同程度的分离，建立图像的跨尺度数据结构，
38、从而把精细尺度的精确性和粗糙尺度的易分割性进行统一，使得处理后的图像更有利于获取目标区域的特征属性。 (2).运动图 像的插值，增强和重建。利用分形理论与分形布朗运动原理设计内插算法提高空间数据插值精度。同时，根据提取的 图像多尺度特征信息，运用 图像增强算子对各尺度信息进行处理以改变目标特征的强度，从而实现对噪声的抑制和对图像中不同尺度特征的增强。这样可以提高图像清晰度，突出图像中的重点部分。 (3).运动图 像的跨尺度融合。利用图像分解后的跨尺度数据结构，对不同分解层、不同频带进行融合处理，发展跨尺度融合算法，有效地将来自不同 图像的细节融合在一起，消除冗余信息。反映融合算法性能的一些指标
39、，如数据关 联的正确概率、错误概率以及滤波与预测的方差等都需要考虑。 (4).网络环 境下的空间跨尺度融合。空间合作任务是通过测控网络的监视与控制下完成的，网络传输信息与敏感器捕获信息的跨尺度性特征需要建立信息传输的跨尺度几何网络模型，开发新的跨尺度分析工具,提出新的有效的跨尺度融合算法，以确保空间合作任务的完成。 承担单位：北京邮电大学、清华大学 课题负责人：杜军平 经费比例：13.9% 四、年度计划研究内容 预期目标第一年1. 研究空间微重力环境的基本构成，提取空间与地面跨尺度运动环境的相似因素；2. 研究空间合作系统的高低阶不确定性跨尺度描述、时间和运动速度上的跨尺度描述，以及确定与随机
40、干扰之间的跨尺度描述；3. 研究各种因素对重力补偿的影响程度，优选敏感性评价参数，确立评价标准；4. 非完整约束下的运动基座动力学建模；5. 分析不同转向和驱动方式对运动基座综合性能的影响；6. 运动基座驱动电机宽调速控制；7. 空间多关联运动体系统的跨尺度特征描述；8. 分析空间受控多体系统的拓扑构形和信息关联结构，以及子系统间的相对运动学关系；1. 合理选择地面运动再现的相似因素并给出相互之间的数学关联；2. 建立系统高低阶不确定性跨尺度模型、时间和运动速度上的跨尺度模型，以及确定与随机干扰之间的跨尺度模型；3. 综合提出空间合作目标运动再现的空地等效/相似方法；4. 建立非完整约束下的运
41、动基座动力学模型，验证模型准确性；5. 提出基于模糊控制理论的运动基座驱动电机宽调速控制方案；6. 建立空间多关联运动体跨尺度运动的动力学和运动学模型；7. 建立多体系统中各子系统间的相对运动方程；8. 建立跨尺度快/慢系统 运动模型，提出非线性奇异摄动系统的控研究内容 预 期目标9. 研究单体运动耦合产生期望系统的整体运动机理以及基于跨尺度动态模型的变结构控制；10. 跨尺度快/慢系统的运 动模型，非线性奇异摄动系统的控制；11. 空间变轨过程中对目标状态测量变量的合理选择方案；12. 基于运动状态矢量和敏感器系统偏差的跨尺度随机动态建模；13. 研究目标的相对位姿估计问题；14. 复杂空间
42、背景中运动图像的跨尺度描述；15. 研究运动图像的插值算法；16. 空间背景中运动目标检测、轮廓的提取方法；17. 检测网络环境中空间数据的跨尺度特征描述，以及跨尺度系统的控制和一致性方法。制方案；9. 提出空间变轨过程中目标状态信息的测量方法；10. 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；11. 提出跨尺度非线性滤波算法；12. 对图像进行多分辨率分解，建立图像的跨尺度数据结构；13. 提出可用的运动图像的插值算法，提高空间数据插值精度；14. 基于多帧图像融合运动信息，确定参考区域，提取完整的运动目标轮廓；15. 提出监测网络环境下空间数据的跨尺度规范化表达方法；16.
43、 发表高质量学术论文 40-50 篇；17. 申请发明专利和软件著作权登记 10-15 项。研究内容 预 期目标第二年1. 研究不同等效模式对运动再现效果的影响；2. 研究随动重力补偿系统的附加运动影响，主系统和附加系统的层次结构关系；3. 升级改造自由基座交会对接实验平台；4. 地面运动装置实现空间合作过程运动再现的设计；5. 分析基座系统在各种扰动之下的稳定性态，定性、定量分析系统的稳定性及稳定裕度；6. 分析运动基座的数学和物理特性，找出系统动力学的奇异点；7. 研究系统内部和外部约束条件变化引起的多体系统的变结构过程；8. 分析冲击响应下受控系统运动的稳定性、可控性和鲁棒性；9. 研究
44、系统坐标变换引起的动力学模型中非线性项对系统响应的影响；1. 提出随动重力补偿系统的有效干扰抑制方法；2. 提出随动重力补偿系统不确定性描述的鲁棒控制方法；3. 优化随动重力补偿系统参数，完成补偿系统设计；4. 制定适用于跨尺度环境下的转向和驱动优化方案，提出新型转向结构和驱动结构；5. 初步建立微重力环境下运动基座硬件在环仿真实验平台；6. 建立多体系统结构变化与系统所受内外约束之间的关系模型；7. 获取子系统受到外部干扰时的运行参数；8. 提出可用的系统坐标变换方法，确定系统坐标变换引起的动力学模型中非线性项对系统响应的影响；9. 提出输入受限时离散线性切换系统优化控制方案；10.设计线性
45、，非线性混杂系统的协调控制与优化算法；11. 提出非线性系统极值搜寻优化研究内容 预 期目标10. 采用分段线性化方法进行切换系统建模，并进行稳定性的判断理论分析；11. 研究离散线性切换系统在输入受限时的优化问题；12.线性、非线性混杂系统的协调控制与优化设计；13. 研究非线性系统极值搜寻优化问题；14.变轨过程中的跨尺度滤波；15. 跨尺度滤波方法容许不确定性的定性与定量分析；16. 研究复杂空间背景中运动图像多尺度分割中的参数估计；17. 研究自适应图像增强算法；18. 研究多源图像融合的预处理，以及多源图像像素级、特征级、决策级融合方法；19. 跨尺度几何网络信息模型及自动生成算法；
46、 方法；12. 提出几种与空间变轨匹配的跨尺度鲁棒滤波算法；13. 研制合作目标相对位置与相对姿态的测量系统与数据滤波处理仿真系统；14. 提出跨尺度运动图像分割方法；15. 提出适合于空间背景中的自适应图像增强算法；16. 提出空间背景中多源图像融合的预处理算法，以及多源图像像素级、特征级、决策级融合方法；17. 提出空间背景中的几何网络矢量数据模型及自动生成算法；18.发表高质量学术论文 40-50 篇；19. 申请发明专利和软件著作权登记 10-15 项。研究内容 预 期目标第三年1. 研究悬挂末端的速度、加速度与运动控制分量之间的关系；2. 研究悬挂点跟踪期望目标的实现过程，尤其是运行
47、速度对其精度的影响；3. 研究悬浮体非对称性对其姿态调整过程的影响，及其浮力方向控制方法；4. 研究万向转台嵌入运动基座硬件在环实验平台方法，根据 STK提供的微重力环境研究运动基座变轨实验方法及评价指标；5. 运动基座针对诱导扰动的增稳方法，分析系统的鲁棒性；6. 设计运动基座合理避奇异的运动路径；7. 运动基座路径规划的性能评估方法；8. 受干扰情况下多受控运动体之间的分布式信息关联结构、系统的分层控制策略；9. 输入饱和受限情况下的多受控1. 建立悬挂末端的速度、加速度与控制分量之间的数学表征模型；2. 优化悬挂/浮补偿系统，获取系统设计的重要参数；3. 提出有效的悬浮体浮力方向控制及姿
48、态调整控制的有效方法；4. 研制运动基座硬件在环实验演示系统；5. 研制运动基座合理避奇异的仿真系统；6. 提出受干扰的多体系统鲁棒分层控制方法； 7. 提出输入受限的多体系统跨尺度自适应控制方法；8. 建立增广变轨运动系统的动态模型和系统可控性条件；9. 解决空间多关联运动体时间最优控制问题；10. 提出可用的多运动体同步协调控制算法，实现同轨同速；11. 建立航天器变轨过程中的跨尺研究内容 预 期目标运动体的跨尺度控制；10. 基于空间多关联运动体系统的相关动力学性质，研究系统模型的跨尺度控制方法；11. 建立增广变轨运动系统的动态模型，研究系统的可控性以及最优控制；12. 研究能以最快速
49、度达到目标与追踪运动体同轨同速运动优化问题；13. 航天器变轨过程中的跨尺度动力学模型的建立与不确定分析；14.变轨运动中的跨尺度干扰抑制控制的参数化方法；15. 复杂空间背景中运动图像的跨尺度特征提取与重建算法；16. 复杂空间背景中的运动目标检测和图像的跨尺度分解算法；17.检测网络环境中的空间数据跨尺度融合算法。度动力学模型；12. 提出航天器变轨运动中的跨尺度干扰抑制控制的鲁棒参数化方法；13. 初步完成航天器变轨演示系统；14. 提出可用的运动目标图像跨尺度特征提取算法；15. 提出稳定、快速获取运动图像的三维重建方法，并进行虚拟化处理以展示重建效果；16. 建立适合空间背景中的动态图像融合规则；17. 基于测控网络的监视与控制所获取的空间海量数据，建立信息传输的跨尺度几何网络模型；18. 出版专著 1-2 本；19.发表高质量学术论文 40-50 篇；20. 申请发明专利和软件著作权登记 10-15 项。研究内容 预 期目标第四年1. 研究随动重力补偿系统悬挂体与期望目标的随机碰撞问题；2. 研究随动重力补偿系统随机碰撞信息的有效测量；3. 研究随动重力系统随机碰撞的反力与姿态的耦合控制；4. 微重力运动环境中基座硬件在环实验；5. 运动基座单轨及变轨运动评价指标，以及系统的实验评价；6. 转向和驱动系统的优化控制；7. 双基座系统的最优协
