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失效卫星近距离巡视中的位姿确定及控制技术研究

作　者: 姚小松
导　师: 熊智
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: 失效卫星近距离巡视联邦滤波扩展卡尔曼滤波位姿联合估计参考轨迹耦合控制仿真平台
分类号: V448.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着空间技术的不断发展，失效卫星等非合作目标航天器的在轨巡视技术已成为当前的研究热点。由于失效卫星不能实时有效地提供自身位姿信息，因此利用追踪星对失效卫星进行近距离巡视时，其追踪过程的复杂性和不可预见性都对导航系统的自主性、可靠性和精度提出了极高的要求；与此同时，为了保证巡视过程的安全与可靠，设计出一套便于巡视的相对位置与相对姿态控制方案和算法是十分必要的。本文以失效卫星近距离巡视为研究背景，为了保证巡视接近过程中追踪星绝对位置和姿态测量的精确有效，考虑到单一的导航系统无法同时满足高精度、高可靠性以及强自主性的要求，本文研究了基于惯性/卫星/星敏感器实现的追踪星多传感器高精度自主导航技术；设计了优化的多传感器组合导航模型和测量模型，考虑到量测系统的冗余性，采用联邦滤波组合导航算法实现了对追踪星近距离巡视的绝对位姿确定。本文在分析了失效卫星特性及运动模式的基础上，考虑到近距离巡视接近逼近段，失效卫星本身不能再被当作点质量模型处理，为此，研究了基于局部区域的兴趣点测量方法。结合结构模型已知的一类失效卫星，通过立体视觉系统研究了基于失效卫星表面局部区域中兴趣点的相对位置观测模型。此外，考虑到失效卫星本身位置与姿态信息也不可预知，提出了一种基于失效卫星相对位姿及追踪星本体位姿联合估计的扩展卡尔曼滤波方法，能有效提高对失效卫星的位置和姿态测量精度。结合失效卫星近距离巡视中对控制系统高精度、高敏捷性的需求，建立了基于失效卫星表面局部兴趣区域的相对位姿动力学模型及巡视控制坐标系。在此基础上，设计了巡视参考轨迹控制方法，并设计了基于线轨迹的PD控制算法与基于角轨迹的跟踪控制算法；考虑到近距离巡视中位姿相互耦合，进一步结合C-W方程及姿态运动学与动力学设计了姿轨耦合下的相对状态控制方法，从而为失效卫星的在轨巡视提供了理论参考。为有效验证所提出的算法的性能，本文主要针对追踪星巡视中的自主导航算法研制了相应的算法性能验证仿真平台，并基于嵌入式计算机PC104的硬件架构完成了追踪星巡视过程中的自主导航算法半物理仿真验证系统，有效验证了自主导航算法的性能。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-15
第一章绪论  15-24
  1.1 论文研究背景  15-16
  1.2 国内外失效卫星在轨巡视系统现状  16-17
  1.3 失效卫星近距离巡视中的位姿确定及控制技术研究现状  17-21
    1.3.1 失效卫星巡视接近中的绝对位姿测量  17-19
    1.3.2 失效卫星近距离巡视中的相对位姿测量  19-20
    1.3.3 失效卫星近距离巡视中的相对运动控制  20-21
  1.4 课题研究的目的与意义  21
  1.5 论文主要工作与章节安排  21-24
第二章追踪星绝对位姿确定算法研究  24-39
  2.1 引言  24
  2.2 联邦滤波算法原理  24-27
    2.2.1 联邦滤波算法基本原理  24-26
    2.2.2 联邦滤波实现方案设计  26-27
  2.3 基于多传感器的追踪星绝对位姿确定算法建模  27-32
    2.3.1 捷联惯性导航算法  27-29
    2.3.2 IMU 组件误差特性建模  29-30
    2.3.3 GPS 与星敏感器的位置、姿态确定算法  30-31
    2.3.4 GPS 与星敏感器的位置、姿态误差模型构建  31-32
  2.4 基于联邦滤波的追踪星位姿确定系统模型设计  32-35
    2.4.1 SINS/GPS/CNS 组合导航系统状态方程  32-33
    2.4.2 多信息融合组合导航系统的测量方程  33-34
    2.4.3 三组合导航系统状态方程和测量方程的离散化处理  34-35
  2.5 基于联邦滤波的追踪星绝对位姿确定仿真分析  35-38
    2.5.1 仿真条件设置  35
    2.5.2 仿真分析  35-38
  2.6 结论  38-39
第三章基于立体视觉的失效卫星位姿联合测量算法研究  39-51
  3.1 引言  39
  3.2 失效卫星巡视中位姿联合确定总体方案设计  39-40
  3.3 失效卫星位姿联合估计模型  40-46
    3.3.1 系统模型  41-44
    3.3.2 立体视觉系统/GPS/星敏感器量测模型  44-46
  3.4 基于 EKF 的位姿联合估计系统模型设计  46-47
    3.4.1 立体视觉/GPS/星敏组合导航系统状态方程  46-47
    3.4.2 立体视觉/GPS/星敏组合导航系统测量方程  47
  3.5 仿真验证与分析  47-49
    3.5.1 仿真条件参数设置  47-48
    3.5.2 仿真分析  48-49
  3.6 结论  49-51
第四章失效卫星的近距离巡视控制技术研究  51-69
  4.1 引言  51
  4.2 失效卫星巡视控制坐标系的构建  51-53
  4.3 基于失效卫星的相对位姿动力学建模  53-55
    4.3.1 相对位置动力学模型  53-54
    4.3.2 相对姿态动力学模型  54-55
  4.4 基于参考轨迹的控制器设计与仿真分析  55-64
    4.4.1 仿真环境的计算方法  55-56
    4.4.2 传感器建模与仿真  56-57
    4.4.3 兴趣点跟踪控制与分析  57-64
  4.5 相对位姿耦合控制器设计与仿真分析  64-68
    4.5.1 相对位置动力学模型  64-65
    4.5.2 相对姿态动力学模型  65
    4.5.3 基于参考轨迹的相对位姿耦合控制律设计  65-66
    4.5.4 仿真分析  66-68
  4.6 总结  68-69
第五章追踪星巡视中的自主导航仿真平台研究  69-82
  5.1 引言  69
  5.2 追踪星巡视中的自主导航仿真平台总体结构  69-76
    5.2.1 系统硬件实现  70-73
    5.2.2 系统软件组成  73-76
  5.3 自主导航性能的半物理仿真分析  76-80
    5.3.1 半物理仿真系统界面  76-77
    5.3.2 SINS/GPS/CNS 组合导航系统性能验证  77-80
  5.4 本章小结  80-82
第六章全文总结与展望  82-84
  6.1 本文工作总结  82-83
  6.2 后续工作展望  83-84
参考文献  84-88
致谢  88-89
在学期间的研究成果及学术论文情况  89

失效卫星近距离巡视中的位姿确定及控制技术研究

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