基于细胞星的整星质量特性辨识与细胞星安装位姿确定

发布时间：2020-08-31 11:38

　　卫星在运行过程中,其载荷天线等往往有很大的制造成本,并且系统寿命很长,而卫星上的控制系统往往容易出现故障,如果无法对载荷实现重新利用则会造成很大损失。近些年提出了细胞卫星概念,单个细胞卫星只承担卫星的分系统功能,实现了低成本,模块化及可集成化,细胞卫星可以实现在轨组装,也可以实现故障模块的替换。对于载荷没有失效但是控制系统失效的航天器,可以采用细胞卫星对被服务航天器进行姿态接管控制,以实现载荷的再利用。基于细胞卫星的被服务航天器姿态接管控制依然存在一些未解决的问题,如被服务航天器与细胞卫星结合后,航天器质量特性发生了变化,需要对组合航天器进行质量特性在线辨识。细胞卫星相对被服务航天器的安装位置以及安装矩阵无法确定,需要在线确定细胞卫星相对于被服务航天器的安装位置及安装矩阵。基于批量细胞卫星的星间通讯问题,需要设计细胞卫星交互的拓扑结构,以减小星间通讯压力。为了解决以上问题,本文主要针对以下几部分内容进行研究。对于被服务航天器为非合作目标(如太空垃圾)的情况,我们无法获取其外形结构,质量特性等相关参数,也不了解被服务航天器本体坐标系的定义,无法在被服务航天器本体坐标系内进行质量特性辨识。针对这类航天器,考虑到我们并不需要对航天器进行维修以及修复,只是希望改变其原有的姿态及轨道,或者通过降低非合作目标的轨道,使其在大气层内销毁,达到清理太空垃圾的目的。因此本文建立了细胞卫星参考坐标系,将细胞卫星的测量及输出参数进行坐标系统一,进而在参考坐标系内进行航天器质量特性辨识。对于被服务航天器为控制系统失效的合作目标的情况,考虑到航天器载荷、天线、太阳能帆板等仍然可以工作。我们希望能够利用细胞卫星依附于被服务航天器进行姿态接管控制,实现被服务航天器的在轨维修,延长被服务航天器的工作寿命,达到资源的再利用。这种情况下,希望获取细胞卫星相对被服务航天器的安装位姿确定,进而在被服务航天器参考坐标系内进行航天器的质量特性辨识及控制。本文合理假设被服务航天器其本体坐标系的定义,航天器整体的外形结构以及质量特性已知。采用点云配准原理,将参考坐标系下细胞卫星的安装位置与被服务航天器的结构外形进行配准,确定被服务航天器相对于参考坐标系的位置与姿态,进而确定细胞卫星相对被服务航天器的安装矩阵以及安装位置。考虑到细胞卫星数量众多,细胞卫星传输数据接口有限,单个细胞卫星计算能力有限,选取中心节点接受数据并进行辨识与配准计算的方法不再适用。因此设计分级的拓扑结构,设计细胞卫星交互式质量特性辨识方法以及航天器位姿配准方法。减小信息传输压力和细胞卫星的计算压力。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V448.2
【部分图文】：

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计制造成本高，主要由于无法实现批量化生产，存在大量况，因此实现卫星的模块化，标准化设计及批量化生产是势。低成本的重要手段是发展微纳卫星。然而，微纳卫星是以，难以满足许多任务需求。为了克服传统模式卫星的在文献[4, 5]中提出了细胞卫星的概念，将星上的各个分系化，模块化，可集成的细胞卫星。细胞卫星可以实现批量成本并且缩短研发周期。细胞卫星设计成标准化结构和统了装配和维护的难度。细胞卫星相较于普通的模块化卫星，可以在入轨之后分离重构完成不同的任务，还可以完成可以依附于其它受损的航天器，代替受损的元件及分系统废弃航天器的重新利用。另外在战争、灾害等紧急情况下及时的更换替补细胞卫星对受损的被服务航天器进行抢修功能的载荷细胞卫星提高了卫星完成任务的灵活性，同时制造周期[7]。图 1-1 为可重构细胞卫星装配示意图。

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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3.细胞卫星（Satlet），Satlet 作为卫星平台以及载荷的组成部分，每个 Satlet均承担卫星的不同分系统功能，Satlet 需要设计标准化接口，而且不同 Satlet 之间不仅需要进行数据的传输，还需要保证热控系统互联以及结构的稳定性，将其集成到一起，完成完整卫星的功能。该项目由 DARPA 分配给了不同的公司开展研究工作，分别由劳拉空间系统公司（Space Systems/Loral）、国际通信卫星公司（Intelsat）以及极光飞行科学公司（Aurora Flight Sciences）负责研究细胞卫星的质量、大小、搭载发射问题，细胞卫星的接口问题以及细胞卫星的设计及集成。并且由麻省理工学院（MIT）对他们提高控制设计及推进器技术支持。由喷气推进实验室（JPL）负责软件开发及测试问题。如图 1-5 至 1-7 分别介绍了 HISat 模块，智能组装机器人以及 HISat装配集成示意图。

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