论文摘要
空间自主交会对接是指不依赖地面站帮助,由航天器凭借自主导航、制导与控制手段进行的交会对接过程。伴随着自主交会对接技术的发展,在轨服务技术逐渐成为了航天领域新的研究热点。空间微纳星站正是在上述背景下提出的一种新型分布式卫星应用系统。本文面向微纳星站交会对接与存储释放一体化的任务要求,研究了自主对接机构和姿轨控制系统等关键技术,并通过数学仿真验证了系统指标。全文的工作包括以下几方面:从系统层面上分析了微纳星站交会对接技术的关键模块,规划了系统设计流程以及仿真手段。在传统“杆-锥”型对接机构的基础上,设计了“串杆”型微纳星站自主对接机构,实现了与子星对接、存储和分离的功能要求;完成了虚拟样机的参数化设计,采用数值求解方法进行动力学仿真,验证了机构具有较宽的容差范围;通过对仿真结果的分析,得出了“最终逼近速度的选取是对接时间和碰撞能量的折中”这一结论;另外分析了导致机构失效的主要原因,并给出了相应的解决方案。以LOS图像导航为基础,采用轨道与姿态联合控制方法,重点研究了交会过程最终平移阶段的动力学控制问题。得益于对接机构的宽容差范围,超近距离阶段的控制精度可以适当降低。因而控制律基于Lyapunov稳定性理论进行设计,算法简单,易于实现,并且建模中考虑了姿态和轨道控制的相互影响,使得系统更加接近实际模型。针对V-Bar和R-Bar两种直线逼近方式,采用STK和Matlab对最终平移阶段的相对轨道控制进行了联合仿真,结果表明两种逼近方式的位置精度都能够满足“串杆”型对接机构的容差要求,并比较了各自的优缺点。采用Simulink对最终平移阶段的相对姿态控制进行仿真,结果表明控制精度能够满足轨道控制的要求以及“串杆”型对接机构的容差范围,同时选取合适的反馈参数可以适当降低控制消耗的能量。另外,相对轨道和姿态的控制精度都为对接机构留有充足的裕度,保证了系统的可靠性。本文的工作是实现微纳星站关键技术的重要组成部分,同时也为空间在轨服务以及其它分布式任务的相关研究提供了一定的借鉴价值。