在軌服務航天器對目標逼近過程動力學與控制研究.pdf

1、國內(nèi)圖書分類號：V448.2學校代碼：10213國際圖書分類號：629.78密級：公開工學博士學位論文工學博士學位論文在軌服務航天器對目標逼近過程動力學與控制研究博士研究生：王峰導師：曹喜濱教授申請學位：工學博士學科、專業(yè)：飛行器設(shè)計所在單位：航天學院衛(wèi)星技術(shù)研究所答辯日期：2009年9月授予學位單位：哈爾濱工業(yè)大學摘要I摘要航天器在軌服務已成為航天技術(shù)發(fā)展的重要趨勢之一，對故障或失效航天器在軌維修、處理是其中的一類核心任務，需要解決在

2、目標航天器狀態(tài)信息未知情況下（非合作目標）的相對制導、導航與控制問題。本論文針對在軌服務航天器逼近非合作目標過程中的軌跡規(guī)劃、相對導航與制導及相對軌道與姿態(tài)控制等問題展開了系統(tǒng)深入的研究。為解決運行于橢圓軌道目標航天器的在軌服務問題，針對其狀態(tài)不確定的特點，研究了徑向、切向脈沖和連續(xù)推力模式下飛行軌跡的安全性問題，提出了Vbar徑向脈沖逼近和Rbar切向脈沖撤離的軌跡規(guī)劃策略。同時，針對目標航天器姿態(tài)失控翻滾的情況，提出了服務航天器姿態(tài)

3、同步旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)對目標航天器捕獲的策略。研究了利用可見光相機和微波雷達對目標航天器的相對狀態(tài)估計問題。以目標航天器幾何外形為特征，利用對偶四元數(shù)建立了基于特征直線的相對狀態(tài)觀測方程，提出了基于多幀圖像的IEKF估計方法，實現(xiàn)了對目標航天器轉(zhuǎn)動慣量比和航天器間相對狀態(tài)的確定；為了提高系統(tǒng)的估計精度，提出了基于可見光相機和微波雷達的相對狀態(tài)聯(lián)合估計方法，為服務航天器逼近非合作目標航天器提供了必要的導航信息。為滿足服務航天器對目標航天器在時間和空

4、間特定約束下的機動靈活性，提出了具有相對速度隨距離變化特點的多脈沖滑翔制導方法，并結(jié)合服務航天器制導精度和安全速度的約束完成了算法的優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了對目標航天器的主動逼近、繞飛與撤離；同時，給出了服務航天器常規(guī)監(jiān)測任務情況下的被動逼近和繞飛算法，提高了系統(tǒng)可靠性并節(jié)省了燃料。研究了滿足橢圓軌道服務航天器控制要求的相對軌道和姿態(tài)控制方法。針對相對軌道控制模型隨時間變化的問題，提出了基于線性變參數(shù)(LPV)模型的多項式特征結(jié)構(gòu)配置(PEA)

5、方法，設(shè)計了控制增益隨時間變化的控制器，確保了服務航天器閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度；針對服務航天器姿態(tài)控制模型多變的特點，提出了基于抑制歐拉軸偏離的模型獨立姿態(tài)機動方法，實現(xiàn)了服務航天器轉(zhuǎn)速受限和控制力矩飽和的姿態(tài)快速機動，并利用相同的控制策略實現(xiàn)了服務航天器相對目標航天器的姿態(tài)同步旋轉(zhuǎn)。最后，為驗證本論文所涉及控制方法的正確性和有效性，提出了在軌服務航天器逼近過程動力學與控制的半物理仿真驗證方法，建立了基于三軸氣浮臺和單軸氣浮臺的在軌