在軌服務(wù)航天器對目標(biāo)逼近過程動(dòng)力學(xué)與控制研究.pdf

1、國內(nèi)圖書分類號(hào)：V448.2學(xué)校代碼：10213國際圖書分類號(hào)：629.78密級(jí)：公開工學(xué)博士學(xué)位論文工學(xué)博士學(xué)位論文在軌服務(wù)航天器對目標(biāo)逼近過程動(dòng)力學(xué)與控制研究博士研究生：王峰導(dǎo)師：曹喜濱教授申請學(xué)位：工學(xué)博士學(xué)科、專業(yè)：飛行器設(shè)計(jì)所在單位：航天學(xué)院衛(wèi)星技術(shù)研究所答辯日期：2009年9月授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)摘要I摘要航天器在軌服務(wù)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(wù)，需要解決在

2、目標(biāo)航天器狀態(tài)信息未知情況下（非合作目標(biāo)）的相對制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制問題。本論文針對在軌服務(wù)航天器逼近非合作目標(biāo)過程中的軌跡規(guī)劃、相對導(dǎo)航與制導(dǎo)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(yùn)行于橢圓軌道目標(biāo)航天器的在軌服務(wù)問題，針對其狀態(tài)不確定的特點(diǎn)，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(shí)，針對目標(biāo)航天器姿態(tài)失控翻滾的情況，提出了服務(wù)航天器姿態(tài)

3、同步旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)航天器捕獲的策略。研究了利用可見光相機(jī)和微波雷達(dá)對目標(biāo)航天器的相對狀態(tài)估計(jì)問題。以目標(biāo)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(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了對目標(biāo)航天器轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)精度，提出了基于可見光相機(jī)和微波雷達(dá)的相對狀態(tài)聯(lián)合估計(jì)方法，為服務(wù)航天器逼近非合作目標(biāo)航天器提供了必要的導(dǎo)航信息。為滿足服務(wù)航天器對目標(biāo)航天器在時(shí)間和空

4、間特定約束下的機(jī)動(dòng)靈活性，提出了具有相對速度隨距離變化特點(diǎn)的多脈沖滑翔制導(dǎo)方法，并結(jié)合服務(wù)航天器制導(dǎo)精度和安全速度的約束完成了算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對目標(biāo)航天器的主動(dòng)逼近、繞飛與撤離；同時(shí)，給出了服務(wù)航天器常規(guī)監(jiān)測任務(wù)情況下的被動(dòng)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(wù)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(shí)間變化的問題，提出了基于線性變參數(shù)(LPV)模型的多項(xiàng)式特征結(jié)構(gòu)配置(PEA)

5、方法，設(shè)計(jì)了控制增益隨時(shí)間變化的控制器，確保了服務(wù)航天器閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度；針對服務(wù)航天器姿態(tài)控制模型多變的特點(diǎn)，提出了基于抑制歐拉軸偏離的模型獨(dú)立姿態(tài)機(jī)動(dòng)方法，實(shí)現(xiàn)了服務(wù)航天器轉(zhuǎn)速受限和控制力矩飽和的姿態(tài)快速機(jī)動(dòng)，并利用相同的控制策略實(shí)現(xiàn)了服務(wù)航天器相對目標(biāo)航天器的姿態(tài)同步旋轉(zhuǎn)。最后，為驗(yàn)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(wù)航天器逼近過程動(dòng)力學(xué)與控制的半物理仿真驗(yàn)證方法，建立了基于三軸氣浮臺(tái)和單軸氣浮臺(tái)的在軌