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航天器交会对接相对导航与控制技术研究

作　者: 高珊
导　师: 韩艳铧
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: 航天器交会对接相对位置和姿态视觉导航卡尔曼滤波 H∞控制理论仿真
分类号: V448.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

航天器的交会对接技术,用于实现空间站和载人飞船等大型飞行器的在轨组装、轮换宇航员、更换设备、补给和维修等高级空间任务,是我国载人航天第二步战略关键技术之一。交会对接是一项复杂而高难度的航天技术,其中交会对接的最终逼近段是航天器交会对接的一个重要阶段,本文针对交会对接最终逼近段的相对导航和控制问题进行了研究,并在理论上提出了一套比较完整的导航和控制方案。本文首先建立并分析了交会对接航天器的动力学模型,包括航天器相对轨道动力学模型、航天器姿态动力学和运动学模型。相对轨道动力学模型采用的是Hill方程,姿态动力学和运动学模型则采用欧拉角法进行描述。然后文章介绍了基于视觉相机的相对导航原理以及单、双目视觉相对状态测定方法,分析了传统的单目视觉方法,针对其测距方程组包含二次非线性项从而造成实时求解困难的缺陷,建立了新的相对位置和姿态的确定方程,并在适当的假设下给出了方程求解的初值选定方法和迭代求解方法。对于双目视觉其中一个相机出现故障的情况,提出用单目视觉确定算法替代双目视觉确定算法的解决方案。针对测定算法求解出的相对状态信息,本文应用连续时间系统的卡尔曼滤波理论,对相对状态进行了估计,并通过仿真验证了卡尔曼滤波算法满足航天器交会对接逼近段的精度要求和实时性要求。本文随后研究了航天器交会对接最终逼近段的相对位置和姿态控制问题。航天器间的相对位置控制在考虑假设误差和外部摄动的情况下,基于相对运动的Hill方程,应用H∞控制理论,设计了一种全状态反馈的鲁棒控制器,旨在实现两航天器位置的逐渐逼近。追踪航天器的姿态控制问题则转化为追踪航天器对目标航天器的姿态跟踪问题,同样也采用了H∞控制理论,针对姿态的动力学和运动学模型设计了鲁棒控制器。考虑到交会航天器发动机的实际情况,文章采用了脉宽脉频调制技术(PWPF技术),将连续型控制量等效调制为开关型控制量。论文对闭环控制系统进行了数值仿真,结果证明了所设计控制律的安全性和有效性。最后,文章对进一步要研究的问题和方向提出了看法。

航天器交会对接相对导航与控制技术研究

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