在轨服务组合平台姿态确定与控制研究及地面试验相对测量系统设计

论文摘要

针对在轨服务航天器制导、导航与控制（GNC）系统的设计问题,重点开展了组合平台姿态最优估计、组合平台姿态稳定控制和交会对接最终逼近段相对测量三个方面的关键技术研究。主要工作如下:论文采用伪坐标拉格朗日方法研究了在轨服务航天器的姿态动力学建模问题。针对中心刚体+太阳帆板构型的航天器建立了全面的六自由度运动数学模型,根据不同的假设条件分别得到刚/挠耦合姿态运动数学模型和刚体动力学数学模型,分析了这些模型的具体应用背景,介绍了空间干扰力矩的计算模型。论文研究了在轨服务组合平台的姿态最优估计问题。分析了组合平台姿态确定问题的实质,得到了简化的姿态确定模型,设计了陀螺+星敏感器的敏感器配置方案;研究了基于EKF方法的组合平台最佳姿态估计技术,引入新的陀螺漂移误差模型,改进了误差估计状态方程;通过仿真试验检验了方案的可行性。论文提出了在轨服务组合平台“分散协同”姿态控制方案。建立了组合平台的姿态动力学模型;介绍了“分散协同”控制的基本思想,研究了组合平台刚体协同控制的指令分配依据及分配原则;改进了姿态控制系统的飞轮控制律和磁卸载控制律,解决了姿态控制中的章动和进动抑制问题;分别对组合平台姿态控制律、组合平台集中控制方案和组合平台协同控制方案进行了仿真试验分析,验证了所提控制方案的可行性。论文设计了在轨服务航天器最终逼近过程的“惯导/视觉”相对组合测量系统。介绍了“惯导/视觉”相对测量系统的基本组成和工作原理;推导了相对测量系统的三自由度模型,改进了惯性器件漂移模型,并提出视觉测量时间延迟的补偿算法;简单介绍了测量系统地面演示试验平台;通过仿真验证和地面演示试验,分析验证了方案的有效性和可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景、目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 姿态确定技术
• 1.2.2 姿态控制技术
• 1.2.3 逼近段相对测量技术
• 1.3 论文主要研究工作
• 第二章 在轨服务航天器动力学建模与分析
• 2.1 需用坐标系和航天器系统描述
• 2.1.1 需用坐标系
• 2.1.2 坐标系转换
• 2.1.3 航天器系统描述
• 2.2 挠性多体航天器动力学建模与分析
• 2.2.1 伪坐标拉格朗日建模原理
• 2.2.2 系统动力学建模
• 2.2.3 航天器动力学模型简化与分析
• 2.3 空间环境力矩建模与分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 在轨服务组合平台姿态确定系统研究
• 3.1 组合平台姿态确定系统问题分析和工作原理
• 3.1.1 组合平台姿态确定问题分析
• 3.1.2 组合平台姿态确定系统工作原理
• 3.2 组合平台姿态运动模型及敏感器测量模型
• 3.2.1 姿态运动模型
• 3.2.2 姿态敏感器测量模型
• 3.3 组合平台姿态估计模型及姿态确定步骤
• 3.3.1 系统状态方程
• 3.3.2 误差四元数状态方程改进
• 3.3.3 姿态确定算法步骤
• 3.4 仿真算例及结果分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 在轨服务组合平台姿态控制系统研究
• 4.1 在轨服务组合平台任务特点和控制方案分析
• 4.1.1 任务特点分析
• 4.1.2 控制方案分析
• 4.2 在轨服务组合平台姿态动力学模型
• 4.2.1 组合平台姿态动力学模型
• 4.2.2 组合平台特征参数计算
• 4.3 在轨服务组合平台分散协同控制方案
• 4.3.1 分散协同控制方案基本原理
• 4.3.2 组合平台姿态控制执行机构配置方案
• 4.3.3 组合平台姿态协同控制方案
• 4.4 在轨服务组合平台协同控制指令分配方案
• 4.4.1 协同模式与协同规律
• 4.4.2 控制指令分配依据
• 4.4.3 控制指令分配原则
• 4.5 在轨服务组合平台姿态协同控制律
• 4.5.1 反作用飞轮控制律
• 4.5.2 磁卸载控制规律
• 4.5.3 进动抑制控制规律
• 4.6 仿真算例与结果分析
• 4.6.1 控制律仿真试验与分析
• 4.6.2 集中控制方案仿真试验与分析
• 4.6.3 协同控制方案仿真试验与分析
• 4.6.4 集中控制和协同控制方案比较
• 4.7 本章小结
• 第五章 在轨服务地面演示试验相对测量系统研究
• 5.1 在轨服务地面演示测量方案
• 5.2 “惯性/视觉”组合导航算法
• 5.2.1 试验模型
• 5.2.2 “MIMU/视觉”组合导航算法
• 5.3 在轨服务地面演示验证系统平台概述
• 5.4 试验与分析
• 5.4.1 仿真试验与分析
• 5.4.2 实测试验与分析
• 5.5 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果