2012CB821200空间合作目标运动再现中跨尺度控制的前沿数学问题

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。(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/H∞混合干扰抑制方法。不仅