近地小行星近距離衛(wèi)星編隊(duì)自主導(dǎo)航與構(gòu)形控制技術(shù)研究.pdf

1、近地小行星探測(cè)是為揭示太陽(yáng)系起源、演化及組成而開(kāi)展的深空探測(cè)活動(dòng)。由于近地小行星中存在著一類對(duì)地球安全具有潛在威脅的小行星，近地小行星探測(cè)和軌道偏轉(zhuǎn)技術(shù)成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。在執(zhí)行近地小行星探測(cè)及偏轉(zhuǎn)任務(wù)時(shí)，目標(biāo)小行星的軌道確定和探測(cè)衛(wèi)星的自主導(dǎo)航與控制是其技術(shù)關(guān)鍵。由于小行星的物理特性無(wú)法精確獲取，導(dǎo)致小行星附近的動(dòng)力學(xué)環(huán)境無(wú)法確定，從而給衛(wèi)星的導(dǎo)航和控制帶來(lái)挑戰(zhàn)，精確的自主導(dǎo)航方法與控制策略對(duì)任務(wù)成敗起著至關(guān)重要的作用。本文針對(duì)近地

2、小行星近距離衛(wèi)星編隊(duì)的自主導(dǎo)航與構(gòu)形控制問(wèn)題開(kāi)展研究，主要研究成果如下：
　　提出一種融合星間相對(duì)觀測(cè)信息的衛(wèi)星編隊(duì)多傳感器組合自主導(dǎo)航方法。建立小行星-衛(wèi)星編隊(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型。構(gòu)建一種改進(jìn)的“小行星成像/距離+星間距離”觀測(cè)模型，將星間距離觀測(cè)信息與衛(wèi)星觀測(cè)小行星的導(dǎo)航信息組合。基于EKF濾波算法，估計(jì)編隊(duì)中衛(wèi)星相對(duì)于小行星的位置和速度。研究結(jié)果表明，加入星間距離測(cè)量信息可以提高導(dǎo)航精度，改善導(dǎo)航系統(tǒng)性能。
　　針對(duì)

3、近地小行星繞飛衛(wèi)星編隊(duì)的相對(duì)導(dǎo)航問(wèn)題設(shè)計(jì)自主導(dǎo)航方案，提出引入星間位置矢量測(cè)量的協(xié)作導(dǎo)航方案。構(gòu)建目標(biāo)小行星表面特征點(diǎn)相對(duì)衛(wèi)星的三維位置矢量觀測(cè)模型。同時(shí)，在導(dǎo)航系統(tǒng)觀測(cè)模型中引入星間三維位置觀測(cè)矢量，將不同觀測(cè)量組合構(gòu)成四種導(dǎo)航方案，包括：兩種無(wú)星間觀測(cè)信息的非協(xié)作導(dǎo)航方案和兩種包含星間觀測(cè)信息的協(xié)作導(dǎo)航方案。基于UKF濾波算法進(jìn)行仿真對(duì)比分析，表明協(xié)作導(dǎo)航方案導(dǎo)航精度高、導(dǎo)航系統(tǒng)性能更優(yōu)。分析了導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)觀測(cè)誤差和過(guò)程噪聲的敏感度和

4、魯棒性，結(jié)果表明協(xié)作導(dǎo)航方案提高了導(dǎo)航系統(tǒng)的魯棒性，降低了導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)噪聲的敏感度。
　　針對(duì)相對(duì)慢自旋近地小行星近距離運(yùn)行的衛(wèi)星編隊(duì)，提出了編隊(duì)自主軌道確定與控制方法?？紤]目標(biāo)小行星的重力引力及攝動(dòng)力、太陽(yáng)引力、太陽(yáng)光輻射壓力等各種干擾因素的影響，建立包含上述干擾項(xiàng)的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)模型?；诶钛牌罩Z夫穩(wěn)定性理論設(shè)計(jì)控制律，并將其引入濾波估計(jì)狀態(tài)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星軌道的實(shí)時(shí)控制?；赨KF濾波算法設(shè)計(jì)導(dǎo)航濾波器，仿真驗(yàn)證了該方法的有效性和正

5、確性。將編隊(duì)中衛(wèi)星數(shù)目由兩顆擴(kuò)展至四顆，針對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)可能存在的信息冗余問(wèn)題和傳感器失效問(wèn)題，提出高精度半?yún)f(xié)作導(dǎo)航方案，仿真結(jié)果表明，半?yún)f(xié)作導(dǎo)航方案導(dǎo)航精度有所提高，局部傳感器失效不會(huì)降低系統(tǒng)的導(dǎo)航精度。
　　提出了近地小行星絕對(duì)軌道確定方法。研究將星上導(dǎo)航信息與地面觀測(cè)信息融合的方法，同時(shí)估計(jì)小行星和編隊(duì)中衛(wèi)星的絕對(duì)軌道，實(shí)現(xiàn)小行星高精度絕對(duì)軌道確定。針對(duì)當(dāng)?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)導(dǎo)致地面觀測(cè)信息短暫失效的情形，在觀測(cè)模型中引入多普勒測(cè)速儀觀測(cè)衛(wèi)

6、星沿太陽(yáng)視線矢量方向的速度信息。仿真結(jié)果表明，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)小行星實(shí)時(shí)高精度軌道確定。
　　研究基于循環(huán)追蹤算法的衛(wèi)星編隊(duì)構(gòu)形控制方法及其在小行星探測(cè)中的應(yīng)用。針對(duì)圓軌道編隊(duì)構(gòu)形重構(gòu)任務(wù)，設(shè)計(jì)了繞飛平面內(nèi)采用非線性循環(huán)追蹤控制、繞飛面法向采用基于模糊控制思想的分段比例微分控制器聯(lián)合控制方法。針對(duì)橢圓軌道衛(wèi)星編隊(duì)的構(gòu)形控制問(wèn)題，以小行星近距離繞飛衛(wèi)星編隊(duì)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了循環(huán)追蹤協(xié)同控制策略，有效抑制衛(wèi)星在小行星攝動(dòng)力影響下產(chǎn)生的軌