空间飞行器姿轨控系统地面仿真验证方法研究

摘要

随着航天事业的发展,单个航天器已不能满足复杂任务的要求。空间多飞行器协同工作能够完成目标捕获、轨道交会、近距离自主跟踪、伴飞等复杂任务,正成为世界各航天大国的研究重点。空间飞行器的轨道姿态控制地面仿真系统,能够为飞行器的导航制导、轨道机动、姿态控制等提供地面验证平台,提高了飞行器的安全性和可靠性,具有重要的实际意义。本文针对空间飞行器姿轨控系统的地面仿真系统的设计与实现手段、仿真方案等问题进行了深入研究。主要研究内容包括:
　　建立了相对轨道运动的数学模型,推导了基于圆轨道的相对动力学的C-W方程,通过数学手段对方程进行了分析,对自然状态下的相对运动进行了数学仿真。仿真结果表明在无干扰的情况下,空间两飞行器间能够保持相对稳定的绕飞运动。研究了摄动对空间飞行器的影响。
　　设计了空间飞行器姿轨控系统地面仿真验证系统的方案,给出了地面仿真系统的组成及各主要子系统的功能。针对运动模拟器解决了系统的缩比问题;针对分布式仿真系统,解决了各子系统间数据和指令高效传递的问题;针对动力学仿真系统,设计了详细的动力学仿真系统实现方案,并使其具有良好的可扩展性;完成了地面监控综合平台,为地面操作人员提供了友好的人机界面。
　　总结了地面仿真的目的和分类,根据具体任务的不同,设计了相应的地面仿真验证试验方案,指出了地面仿真中主要验证控制算法的有效性和敏感器的工作状况的问题。在现有的仿真平台上,针对相对轨道机动问题进行了分析,完成了地面仿真实验。实验结果表明所设计的仿真系统能够满足轨道机动的仿真要求。
　　针对深空探测等具有较长的运行周期的问题,为降低仿真时间,提高仿真的效率,研究了基于时间缩比的半物理仿真系统超实时仿真方案,从数学角度对仿真的时间问题进行了严格定义。基于实际工程实现的角度,设计了半物理仿真系统的超实时仿真方案,并进行了仿真验证。实验结果表明所设计的超实时方案是有效可行的。

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第1章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3本文主要研究内容

第2章 空间飞行器相对轨道运动理论

2.1引言

2.2坐标系定义

2.3相对轨道动力学

2.4相对轨道动力学数学仿真

2.5本章小结

第3章 空间飞行器地面仿真系统设计与实现

3.1引言

3.2系统总体方案设计概述

3.3运动系统中缩比的确定

3.4分布式系统通信方案设计

3.5动力学仿真系统设计与实现

3.6地面监控综合系统设计与实现

3.7本章小结

第4章 空间飞行器地面仿真实验方案设计与验证

4.1引言

4.2地面仿真实验方案设计

4.3相对轨道机动分析与地面仿真验证

4.4本章小结

第5章 半物理仿真系统超实时仿真方案研究

5.1引言

5.2超实时仿真的概念及数学定义

5.3超实时仿真的必要性以及研究现状

5.4半物理仿真系统超实时仿真方案设计

5.5半物理仿真系统超实时仿真实验

5.6本章小结

结论

参考文献

声明

致谢