橢圓軌道近距離相對導航與姿軌一體化控制方法研究.pdf

1、本文以兩航天器近距離操作任務為研究背景，深入研究了橢圓軌道近距離相對導航與姿軌一體化控制方法，所提出的方法均適用于目標航天器(主星)軌道為橢圓或近圓軌道情形。全文主要研究成果如下：
　　研究了基于標志點靜態(tài)幾何關系的航天器相對位姿確定方法。選取三分量的修正羅德里格參數(MRPs)作為姿態(tài)描述參數，推導了基于 MRPs的視覺導航(VISNAV)觀測模型1，采用非線性最小二乘法求解航天器相對位置和姿態(tài)，為后續(xù)設計的導航濾波器提供初值。

2、綜合考慮了標志點位置誤差噪聲和VISNAV系統測量噪聲兩方面影響，推導了觀測誤差噪聲陣并將其用于非線性最小二乘算法中。仿真結果表明，標志點位置誤差噪聲對相對位置和姿態(tài)測量精度影響較大；隨著主從星之間距離的接近，系統的可觀測性越來越好，相對位置和姿態(tài)估計精度也越來越高。
　　研究了基于狀態(tài)估計的近距離相對導航方法?；?VISNAV觀測模型2，提出了一種新的基于擴展卡爾曼濾波(EKF)的航天器間相對位姿確定算法。與傳統算法相比，該算

3、法額外估計了兩航天器體系相對于主星當地軌道坐標(LVLH)系的姿態(tài)，從而不必要去做主星本體系與其 LVLH系重合這一假設，其實質是不需要先驗的主星的絕對姿態(tài)信息。在此基礎上，進一步提出了基于容積卡爾曼濾波(CKF)的航天器間相對位姿確定算法，并利用傳播的四元數容積點集的加權平均值作為參考四元數，對所提的CKF導航濾波器進行了改進，在一定程度上提高了濾波性能。針對主星失控翻滾情形，推導了在缺少主星慣性參數和角速度先驗信息條件下的相對位姿確

4、定算法。蒙特卡洛仿真表明，觀測標志點數目達到3個及以上時，所設計的濾波器均能夠準確地估計相對位置、速度、姿態(tài)、主星角速度以及慣量比矢量。隨著觀測標志點數目的增加，估計精度也隨之提高。
　　研究了基于對偶代數的航天器姿軌一體化控制方法。建立了基于對偶代數的航天器軌/姿運動學和動力學模型，并在此基礎上推導了基于對偶代數的姿軌耦合誤差動力學方程，證明了其與傳統的相對轉動和相對平動誤差動力學方程一致。研究了基于對偶代數的航天器姿軌一體化控

5、制方法，基于Lyapunov穩(wěn)定性理論證明了該方法的全局收斂性，并基于線性規(guī)劃模型設計了控制分配算法，實現了全推力器姿軌一體化控制。仿真結果表明設計的姿軌一體化控制算法是有效的，并且對質量和轉動慣量的不確定性以及外界擾動具有較好的魯棒性。
　　研究了兩種空間高精度姿態(tài)機動控制方法：一種是基于路徑規(guī)劃和線性二次調節(jié)(LQR)反饋控制相結合的姿態(tài)機動控制方法；另一種是模型誤差預測控制(MEPC)方法。針對采用單框架控制力矩陀螺(SGC

6、MG)系統作為執(zhí)行機構的航天器大角度姿態(tài)機動任務，提出了一種基于路徑規(guī)劃和LQR反饋控制相結合的姿態(tài)機動控制方法。針對固定時間能量最優(yōu)和準時間最優(yōu)兩種情形，采用 Radau偽譜法優(yōu)化機動路徑并回避奇異狀態(tài)，將最優(yōu)控制量作為參考輸入，并利用基于LQR的最優(yōu)反饋控制方法消除初始偏差、模型不確定性以及外界擾動等影響。針對參數不確定性以及外界干擾等情形，進一步研究了模型誤差預測控制方法。該方法利用預測濾波方法來確定模型誤差，從而可以有效地補償由