航天学院优秀学位论文微展，本期推出的是2024年西北工业大学优秀博士学位论文——空间光电系统建模与精准控制研究,获奖者李青。

论文研究背景及意义

随着深空激光通信、定向能武器、天基监视预警、引力波探测、空间天文观测等前沿空间任务的深入发展，所需空间光电系统对控制精度、稳定度和动态性等技术指标的要求越来越苛刻。然而，受光电系统自身关键部件宽频动力学特性以及所依托卫星平台复杂微振动环境的影响，空间光电系统可实现控制带宽、控制精度和稳定度受限，光轴的抖动问题突出，难以实现对远距离目标的高动态精确跟踪瞄准。如何实现高精度、高稳定度和高动态控制是新一代空间光电系统亟需解决的关键问题之一。

主要研究内容

本论文面向空间光电系统的高精度、高稳定度控制需求，考虑空间复杂微振动环境及现有航天器控制约束，从光学、力学、控制多学科交叉角度，系统深入的开展了空间光电系统的精细建模、精准控制与实验验证研究。论文研究了空间光电系统典型精密作动单元的宽频域多场迟滞复合动力学建模和多尺度分步辨识方法；考虑集群航天器应用中大负载空间光电系统的高精度、高动态、多目标独立跟瞄需求，研究了镜面稳定式多目标复合轴跟瞄控制方法；针对空间复杂扰动环境影响，研究了空间光电系统的宽频带微振动主动抑制方法、微振动抑制与跟瞄的一体化控制方法；并进一步提出并研究了一种基于载荷编队的新型空间分布式虚拟孔径光电系统以满足新一代超大口径、超高精度空间光电系统需求。

图1 空间光电系统微振动抑制单元及空间站梦天舱试验结果

图2 空间光电系统微振动抑制与跟瞄一体化控制结果

主要创新点

1. 发展了一种宽频域多场迟滞动力学复合建模及多尺度分步辨识方法，并通过鲁棒控制避免了PID控制在期望频带外的过增益设计和低稳定裕度问题，实现了压电作动单元的高精度稳定控制。

2. 提出了一种镜面稳定式多目标复合轴跟瞄方法，给出了一种基于LS-SVM的精确逆模型建模和前馈补偿方法，实现了多目标独立跟瞄，提高了系统的控制带宽和控制精度。

3. 提出了一种宽频带微振动抑制与高精度跟瞄一体化控制方法，通过隔振定向控制及自适应控制设计，在保证超静力学环境的同时提高了系统的跟瞄精度。

4. 提出了一种基于载荷编队的新型空间分布式虚拟孔径光电系统设计方法，在现有卫星控制体制下，通过载荷的六自由度超静主动控制来实现分布式孔径指向和相对位置的精确调节，降低了卫星平台和光学延迟线的控制难度。

代表性创新成果

[1]. Li Q, Liu L, Ma X, et al. Development of multitarget acquisition, pointing, and tracking system for airborne laser communication[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2018, 15(3): 1720-1729.

[2]. Li Q, Liu L, Deng Y, et al. Twistor-based synchronous sliding mode control of spacecraft attitude and position[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2018, 31(5): 1153-1164.

[3]. Li Q, Liu L. Broadband modeling and precise control of piezoelectric sensing-actuating system for dynamic force output[J]. Journal of the Franklin Institute, 2020, 357(8): 4524-4542.

[4]. Liu L, Li Q, Yun H, et al. Composite modeling and parameter identification of broad bandwidth hysteretic dynamics in piezoelectric fast steering platform[J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2019, 121: 97-111.

[5]. 刘磊, 李青, 唐硕. 卫星复合编队方法，发明专利，授权专利号：ZL201710558811.7.

论文研究历程

在攻读博士学位期间，我有幸在导师刘磊教授的悉心指导下，度过了一段充满挑战与探索的科研旅程。从最初的文献调研到研究方案的制定，再到最终的论文撰写，每一步都伴随着深入思考和不断试错。研究初期在与研究院所深入交流和大量阅读文献的基础上，逐步明确了自己的研究方向，并确立了创新性的研究思路。面对理论创新和实验验证中的诸多难题，经历了反复试验、多次调整假设的过程，最终在团队的协作和导师的指导下成功攻克技术难关，取得了富有意义的研究成果，相关技术成果也在空间站梦天舱中得到了应用。这段科研历程不仅让我掌握了系统的研究方法，也让我深刻体会到科学研究的严谨性和挑战性。论文的最终完成，不仅是对研究工作的总结，也凝聚了长期以来的思考与探索，期待这些成果能为相关领域的发展贡献一份力量。

文图：李青 邢妍

审核：宁昕