GEO非合作目标接近的编队机器人导航制导方法研究

摘要

对经济价值高、战略意义重要的地球静止轨道（GEO）卫星进行在轨服务，具有积极的经济、政治和社会影响作用。GEO卫星具有非合作、长周期和大尺寸等特点，给空间机器人在轨服务系统交会接近的相对导航与制导带来了较大难度。本文来源于国家863计划航天领域某项目，以 GEO故障卫星在轨服务为研究背景，开展 GEO非合作目标全过程自主交会接近的编队空间机器人相对导航与制导方法研究，不仅具有重要的理论研究意义，而且具有实际的工程应用价值，为我国的GEO卫星在轨服务奠定技术基础。
　　针对 GEO故障卫星的特点以及在轨服务任务的需求，提出一种编队空间机器人在轨服务系统方案。分析 GEO卫星的非合作信息交互特征、长周期的轨道运行特征和大尺寸的构型特征，提出了由双臂操作空间机器人和监视空间机器人组成的编队在轨服务系统及其在轨服务任务，详细设计了编队空间机器人的交会接近测量系统和导航、制导与控制（ GNC）系统。建立GEO相对动力学模型，对交会接近的相对轨道运动特性和光照条件进行分析，以作为非合作目标相对导航与制导方法设计的依据。该在轨服务系统具有“高自主、高协同、多任务”的应用特点。
　　为获取非合作目标的相对运动状态，研究了交会接近不同距离段的编队空间机器人相对导航方法。中、近距离段，给出基于视线角+距离的相对导航方法，并针对速度脉冲会造成扩展卡尔曼滤波（ EKF）算法不连续的问题，推导了一种改进的带速度脉冲的滤波算法，保证了滤波系统的稳定性。远距离段，对单视线相对导航的可观测性进行分析，针对可观测性差而难以实现相对导航的问题，利用编队空间机器人对非合作目标的视线信息以及编队信息，提出一种基于多视线的分布式相对导航方法，不仅提高了相对导航的可观测性和导航精度，而且降低了滤波状态维数。
　　在相对导航的前提下，为了实现对非合作目标的快速自主交会接近，研究了编队空间机器人相对制导与控制方法。中、近距离段，给出了直线制导、受控绕飞制导和姿态四元数制导方法，以及相应的脉冲连续位置控制和相对姿态控制方法。远距离段，针对双脉冲 C-W制导精度差和运动周期长的问题，提出带速度脉冲修正的三脉冲C-W制导方法。推导了多脉冲制导模型，在相对导航视线夹角约束条件下，以固定时间燃料最省为原则，给出编队空间机器人不带约束的三脉冲非线性优化问题。提出一种改进的动态权重-因子粒子群优化算法，实现三脉冲 C-W制导优化，提高优化性能和制导精度。同时，给出有限推力鲁棒H∞控制方法，实现三脉冲 C-W制导的跟踪控制。
　　在非合作目标交会接近的超近距离停靠段，针对单视觉相机无法获取大尺寸目标的全局特征而难以实现位姿测量的问题，提出基于目标特征约束的结构光视觉测量方法。根据非合作目标的结构特征，设计点和线结构光两种视觉测量系统，并给出了测量模型、特征提取方法和位姿测量流程。利用非合作目标的局部矩形特征，提出基于圆环点约束和矩形特征约束的两种位姿测量方法。通过对目标局部特征的空间特征重构和图像特征重构，获取完整的特征点，并利用最小二乘法完成位姿解算。该位姿测量方法结构光无需扫描，可靠性高；特征约束测量算法简单，实时性好；特征可进行重构，获取真实信息。
　　为了对编队空间机器人全过程交会接近的相对导航与制导方法进行验证，提出一种基于双视线的编队交会接近半物理仿真方法。推导了“虚拟扩展投影”原理，将虚拟的三维交会接近场景与真实相机成像相结合。利用两个真实相机模拟编队空间机器人的测量设备，获取不同距离段的虚拟三维场景信息，以进行相对导航与制导计算。将结果引入到动力学控制模型中，实现全过程交会接近方法的闭环验证与评估。该系统是一种“硬件在回路”真实有效的仿真系统，降低验证成本的同时提高了可信度，适用于 GEO在轨服务全过程交会接近任务的早期验证。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 研究综述

1.3 本文主要研究内容及章节安排

第2章 GEO编队在轨服务系统设计

2.1 引言

2.2 GEO编队在轨服务系统设计

2.3 GEO交会接近约束分析

2.4 本章小结

第3章 编队接近非合作目标的相对导航方法研究

3.1 引言

3.2 交会接近相对导航设计

3.3 远距离单视线相对导航可观测性

3.4 远距离多视线分布式相对导航方法

3.5 远距离多视线分布式相对导航仿真

3.6 本章小结

第4章 编队接近非合作目标的制导与控制方法研究

4.1 引言

4.2 交会接近相对制导与控制设计

4.3 多脉冲C-W制导模型

4.4 远距离带速度脉冲修正的三脉冲编队制导与控制方法

4.5 远距离三脉冲编队制导与控制仿真

4.6 本章小结

第5章 超近距离大目标的结构光视觉位姿测量研究

5.1 引言

5.2 结构光视觉测量系统设计

5.3 圆环点约束的位姿测量方法

5.4 矩形特征约束的位姿测量方法

5.5 本章小结

第6章 双视线编队接近半物理仿真系统研制

6.1 引言

6.2 系统方案

6.3 系统原理

6.4 交会接近场景模拟

6.5 交会接近技术验证

6.6 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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