基于惯性/线激光三角测量组合的航天器相对导航技术

摘要

大型航天器表面巡检作为一种特殊的空间在轨服务，对保障空间站等大型航天器在太空中实现长期安全稳定的运行具有重要的意义。航天强国正在研制空间机器人等具有巡检功能的装置，实现对空间站的自主在轨服务，以完成对空间站等大型航天器的检测和维护。巡检飞行器与空间站等大型航天器之间的相对导航已经成为该领域的关键技术，本文以空间站巡检为背景，开展了基于惯性/线激光三角测量组合的航天器相对导航技术研究，主要内容如下：
　　提出了一种线激光三角测量系统与惯性位姿推算系统组合的新方案，来获取巡检飞行器与空间站的相对导航参数。首先研究了基于惯性/线激光三角测量组合的导航系统总体方案，然后研究了线激光三角测量系统的原理，最后研究了基于线激光三角测量系统与惯性位姿推算系统组合导航的相对运动模型。
　　由于巡检飞行器在空间站表面近距离开展在轨巡视检查，这对相对导航精度提出了较高要求。本文研究了线激光三角测量系统，线激光器产生的光束投射到被测物体表面上，反射光通过滤波片被相机接收，如果物体沿着激光束方向发生位置移动，相机成像平面上的线激光成像相应随之移动，通过激光线成像的移动距离可以计算出被测物体的移动距离。本文提出了一种基于距离差的三角测量系统标定方法，该方法解决了不能直接准确地测量激光器端口与标定物之间距离的问题，提高了点云数据的获取精度。研究了点云数据配准算法，实现了空间站表面结构的先验点云数据与线激光三角测量系统实际获取的点云数据之间的精确配准。
　　提出了线激光三角测量系统与惯性位姿推算系统组合的方式来计算巡检器与空间站的相对导航参数。点云配准获取相对位姿参数的方法计算时间较长，惯性位姿推算系统获取相对导航信息虽然实时好，但是惯性位姿推算系统的定位误差会随着时间越来越大，为了解决该问题，需要将点云配准获得的相对位姿信息与惯性位姿推算系统推算得到的相对导航信息进行融合计算。根据陀螺、加速度计以及Hill方程建立了巡检器相对于空间站轨道坐标系的位姿推算系统，作为系统状态方程，并基于线激光三角测量系统建立了观测方程，最后设计了扩展卡尔曼滤波器实现了两个航天器的相对位姿估计，并仿真验证了该方法的有效性。
　　为验证本文提出的相对导航技术的有效性，搭建了基于STK（Systems Tool Kit）与MATLAB软件的联合仿真验证平台，能够迅速高效地验证两航天器的相对导航过程。搭建了基于线激光三角测量系统，对线激光三角测量系统进行了标定，并对标定误差做了实验研究。
　　本文研究了基于惯性/线激光三角测量系统组合的相对导航方法，能够利用空间站等大型航天器的表面结构信息实现巡检导航，同时可以利用实时获取的点云数据检查航天器表面结构的完好性，能有效支撑巡检飞行器的自主运行。

目录

声明

注释表

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 在轨服务与在轨巡检服务研究现状

1.3 航天器相对位姿测量技术研究现状

1.4 本文主要内容及章节安排

第二章 惯性/线激光三角测量组合导航方案

2.1 引言

2.2 惯性/线激光三角测量组合导航系统的总体方案

2.3 坐标系定义及转换

2.4 巡检器与空间站相对运动模型建模

2.5本章小结

第三章 基于线激光三角测量系统的点云提取和位姿计算

3.1 引言

3.2 线激光三角测量系统测量原理

3.3 线激光三角测量系统的标定技术

3.4 基于点云配准的位姿测量

3.5 本章小结

第四章 惯性/线激光三角测量信息融合方法

4.1 引言

4.2 巡检器相对空间站组合导航方法

4.3 组合导航系统仿真

4.4 本章小结

第五章 基于惯性/线激光三角测量组合导航系统仿真实验

5.1 引言

5.2 自主导航与控制仿真验证平台

5.3 线激光三角测量系统的研制

5.4 本章小结

第六章 全文总结和展望

6.1 本文工作总结

6.2 工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及学术论文情况