卫星喷管对接装置及捕获策略研究

摘要

随着空间科学技术的进步与发展，人类向太空中发射了越来越多的航天器。太空中有大量的卫星需要得到维护，有大量的太空垃圾需要得到清理，更有宝贵的空间资源需要得到保护，人类迫切需要掌握在轨服务技术。而空间非合作卫星的自主捕获技术则成为开展在轨服务的前提和关键技术。本文主要研究基于卫星喷管捕获的对接装置和捕获策略。采用对接装置来捕获安装有卫星喷管的非合作卫星。这些卫星主要运行在GEO轨道和中高轨道，占用了宝贵的轨道资源，并且造价昂贵，捕获这些卫星开展在轨维护可获得明显的经济效益同时起到轨道资源保护作用。本文采用相对容差最大的“杆-锥”式捕获结构，通过卫星停靠方式从喷管内面来捕获卫星，从而实现空间非合作卫星捕获对接。研制捕获卫星喷管的对接装置，包括锁紧系统、传感器系统和电气系统。研制锁紧系统的锁紧机构，以实现捕获锁紧卫星喷喉喷喉结构，并通过仿真和实验验证其设计的正确性。设计对接装置的可接触外壳。研制用于感知卫星喷管位姿的微小型激光测距传感器，结合六维力/力矩传感器、就位检测传感器、微型监控摄像机和电机驱动的内部传感器构成了对接装置的传感器系统。搭建基于FPGA的电气控制系统，研制环形的电气电路，实现对接装置的机电控制一体化设计。
　　本研究主要内容包括：⑴为了实现空间自主捕获非合作卫星，合理布置传感器的构型，开发位姿测量算法，研究对接装置在进入喷管后的超近距离的位姿测量。分析了基于激光测距的位姿测量原理，介绍了双层六点放射型测距的传感器布置，以此布置构型来感知回转面的相对位姿。为了避免计算复杂的非线性隐式超越方程组，本文提出了可以用于实时计算回转面相对位姿的几何轴近似 GAA方法，分析了GAA方法特性，通过实验验证了其有效性，从而实现了对接装置进入喷管后在超近距离时的位姿测量。⑵利用研制的激光测距传感器和喷管的位姿测量方法，提出了基于非接触测量的捕获势场方法。在人工势场方法的基础上，提出了在不同坐标维度上各向异性的捕获势场方法，通过坐标方向异性的势场实现了指定运动的捕获轨迹。该捕获势场方法作用：位置和姿态同时矫正调整；通过各坐标方向上调整参数不同所实现的捕获轨迹来避碰；具有可变捕获速度的特性；针对于喷管结构特性，调整同轴位置误差和姿态误差，避免碰撞和卡死现象，使锁紧机构通过喷喉结构完成捕获锁紧。⑶通过计算机仿真和实验的方法分析并验证本文提出的捕获势场方法的有效性。将捕获势场方法结合力控策略、速度策略和盲探策略，依据传感器测量的不同结果选择不同的捕获方式，完成了针对卫星喷管的捕获策略设计。在本文搭建的基于机器人的地面半物理捕获卫星实验平台上，开展了激光位姿测量实验、捕获势场法的捕获实验和捕获策略测试演示实验。通过实验验证了本文研制的卫星喷管对接装置可以完成对卫星喷管的捕获锁紧，验证了基于激光测距的位姿测量方法可以有效测量目标位姿，验证了本文提出的捕获势场方法可以实现幂函数运动的捕获轨迹从而完成捕获，完成了针对卫星喷管的捕获策略设计。

目录

第1章 绪 论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2卫星捕获对接研究综述

1.3卫星捕获测量技术研究综述

1.4卫星的在轨捕获方法研究综述

1.5本文的主要研究内容

第2章 卫星喷管对接装置的设计

2.1引言

2.2卫星捕获任务及对接装置

2.3喷管锁紧机构研究

2.4对接装置的可接触外壳设计

2.5对接装置的传感器系统

2.6激光测距传感器研制

2.7对接装置的电气系统

2.8本章小结

第3章 基于激光测距的卫星喷管位姿测量方法

3.1引言

3.2基于激光测距的位姿测量原理

3.3几何轴近似GAA的位姿求解方法

3.4 GAA方法的特性

3.5喷管面的位姿测量

3.6本章小结

第4章 基于非接触测量的捕获势场轨迹规划方法

4.1引言

4.2非接触感知的卫星喷管捕获系统

4.3卫星喷管的捕获轨迹

4.4基于非接触位姿测量的捕获势场法

4.5捕获势场的稳定性及捕获轨迹运动仿真

4.6本章小结

第5章 基于捕获势场法的卫星喷管捕获策略及其实验

5.1引言

5.2基于机器人的地面半物理捕获卫星实验平台

5.3基于捕获势场方法的捕获实验

5.4基于捕获势场法的卫星喷管捕获策略

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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