高精度多自由度航天器模拟器关键技术及实验研究

摘要

多自由度航天器模拟器被广泛应用于在地面研究航天器的动力学、制导、导航与控制。采用气悬浮技术，模拟器可实现在地面的无摩擦微重力的自由运动。利用多自由度模拟器可在地面进行相关空间任务实验，验证各类算法，可有效降低在轨飞行器任务的风险，同时模拟器本身具有成本低、可重复性高等优点。国内外很多研究机构已开始研究各类模拟器，并用于编队飞行、交会对接等方面的研究。模拟器关键技术的研究是地面仿真效果和精度的保证。针对模拟器的关键技术和仿真实验中的关键算法，论文主要开展了如下研究工作：
　　针对模拟器需要实现的仿真功能，论文首先给出了模拟器的总体方案设计，基于平面气浮轴承和球面气浮轴承实现二维平动和三轴转动，对模拟器的各分系统进行了简要的概述。针对模拟器的质心调平问题，设计自动的质心配平系统，实现对模拟器质心在空间三个方向的独立调节，并分析了配平质量块调整量与模拟器质心变化量之间的关系。进一步针对质心和惯量的独立调节问题，设计了一种质心惯量独立调节系统并提出了调节方法。最后建立了包括配平系统的模拟器姿态动力学模型，同时给出配平质量块移动量与模拟器惯量之间的关系。
　　针对模拟器惯性参数设计需求——模拟器的惯性参数与实际航天器的惯性参数一致或者是航天器的缩比，提出对模拟器上设备安装方位优化的方法。将空间约束问题简化为二维平面上的几何约束，给出几何约束的不等式表示方式。针对质心的配平问题，提出了一种快速的自动配平方法。通过姿态稳定控制的输出力矩估计质心的偏差量，配平系统实现质心快速调节。
　　针对模拟器的参数辨识问题，将飞轮的输出力矩作为模拟器参数辨识的激励力矩，提出了跟踪微分器（TD）滤波器结合最小二乘法（RLS）的系统辨识方法，TD和离散最小二乘法都不需要噪声信息。两种结合方式TD-TD-RLS和 ETD(Extended TD)-RLS都有较强的噪声抑制效果。若无较大干扰力矩， ETD-RLS有更快的收敛速度； TD-TD-RLS方法对非零均值的干扰力矩有更好的收敛精度。之后采用 EKF方法实现状态量和未知惯性参数的同时估计，并分析了方法的可观性。针对辨识的效率和模拟器转动范围限制问题，提出了一种次优激励的求取方法。根据惯性参数的粗略值，以积分形式的条件数作为性能指标，采用高斯伪谱法对优化问题离散化，进而优化得到激励轨迹。
　　针对航天器对接地面模拟的逼近轨迹问题，考虑目标航天器的自旋和太阳帆板的阻碍，设计绕飞逼近轨迹和最优能量逼近轨迹。绕飞逼近轨迹更适用于自旋速度较小，与目标距离较近的情况。绕飞逼近轨迹到达目标位置后可与目标航天器模拟器保持相对稳定，便于对接过程实现。最优的逼近轨迹是最终时间 tf的函数，且以最优能量逼近目标位置。然后给出了最优轨迹的正面对接范围和两段最优轨迹的避障策略。之后，针对交会对接过程的有下滑力干扰的控制问题，设计了模拟器交会过程的逼近轨迹，采用自抗扰控制实现对模拟器交会对接过程的高精度控制。给出了冷喷气的推力分配策略，并通过 PWM方式实现对推力大小的等效控制。

目录

第1章 绪 论

1.1研究背景、目的和意义

1.2模拟器研究现状

1.3模拟器相关技术及实验研究现状

1.4论文主要研究内容

第2章 航天器模拟器的动力学及相似性分析

2.1引言

2.2多自由度模拟器

2.3模拟器的动力学方程

2.4在轨航天器动力学与地面模拟的相似性分析

2.5本章小结

第3章 模拟器的设备位置优化方法与自动质心配平方法研究

3.1引言

3.2模拟器设备的质心惯量优化

3.3姿态平台自动配平方法及实验研究

3.4本章小结

第4章 模拟器的参数辨识方法研究

4.1引言

4.2模拟器参数辨识激励形式

4.3考虑噪声和干扰的模拟器的参数辨识方法和实验研究

4.4次优激励的模拟器参数辨识研究

4.5本章小结

第5章 模拟器的逼近轨迹和运动控制研究

5.1引言

5.2考虑自旋的模拟器逼近轨迹及避障策略研究

5.3大型地面模拟器抗扰动运动控制研究

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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致谢

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