在轨服务航天器自主停靠滑模控制方法的研究
发布时间：2021-06-24 03:38
由于空间航天任务的不同需求,传统航天器逐渐向空间机器人方向发展,面对新型的任务需求,比如在轨维修、空间垃圾清理、燃料添加等,无论是哪种空间任务首先都需要服务航天逼近被服务航天器再进行下一步操作,所以自主停靠是在轨服务的关键技术之一。本文以航天器在轨服务与维护仿真技术为研究背景,主要针对近距离下航天器自主停靠制导与控制技术进行研究,包括相对运动的服务航天器与目标航天器相对轨道和姿态滑模控制方法。首先简要介绍了在轨服务自主停靠技术的发展历程和国内外研究现状,接着介绍了描述航天器相对运动的CW方程并推导了航天器姿态运动学方程、动力学方程以及姿态和轨道同步运动的六自由度运动学等方程。然后在航天器自主接近段基于航天器在圆形轨道上的运行模型,考虑到测距传感器在远距离情况下测量会受限,设计了状态观测器来确定空间两航天器的相对状态信息,同时进一步地为减弱观测器的抖振,用饱和函数代替观测矩阵,并基于线性二次最优理论设计了相对位置滑模控制律。其次,针对航天器在最终接近段阶段的姿态运动问题,考虑到外界不确定干扰力矩的情况,将系统模型分解为线性项和非线性项,用模型参考自适应方法追踪非线性项,设计了滑模切换函数...
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
在轨服务自主停靠任务示意图
中北大学学位论文3天器逼近。在这一阶段航天器之间的距离远超过安全距离，所以在接近过程中只涉及到轨道机动控制，没有相对姿态控制。当追踪航天器到达特定的相对安全距离时就停止轨道机动，这时两航天器的相对距离很近，同时保持在安全距离范围内。最终停靠段：追踪航天器从安全距离开始逼近追踪航天器，在这个过程中不光有相对位置的控制，同时也包括相对姿态的控制，最终实现两航天器相对位置和速度以及姿态满足针对任务操作的停靠。图1-2在轨服务航天器自主停靠过程图Fig1-2Autonomousdockingprocessofanorbitingservicespacecraft在追踪航天器向目标航天器停靠过程中，两个航天器绝对不能发生除任务要求外的碰撞，这是最基础且最根本的条件。另外，在自主停靠过程中要用到导航技术，通常情况下所提到的导航技术是指对航天器在某一时刻的瞬时速度、瞬时姿态以及方向等参数的解算程。以上获得的参数绝对参数，故也可以认为是绝对导航。与通常常用的导航不同,相对导航求解的参数是在轨运行的两航天器之间的相对运动参数。自主停靠过程中采用的是相对导航技术，主要确定参与任务的两航天器之间的相对参数，包括相对轨道参数和相对姿态参数。
中北大学学位论文102.2.2轨道坐标系定义参考坐标系o-xyz，该坐标系用来描述航天器的在空间中的运动状态，航天器的质心作为轨道坐标系的原点，x,y,z三轴的定义在满足右手坐标系的基础上定义较为灵活，常用的三种轨道坐标系定义如图2-2所示。图2-1地球惯性坐标系Fig2-1Earthinertiaframe图2-2轨道坐标系Fig2-2Orbitcoordinatesystem（a）图定义ox由地心指向目标航天器质心的矢量方向；oy在轨道平面内与目标航天器运动的速度矢量方向一致；另一坐标轴oz由右手坐标系确定。（b）图定义ox在轨道平面内与目标航天器速度矢量方向一致；oy由目标航天器质
【参考文献】：
期刊论文
[1]航天器有限时间饱和姿态跟踪控制[J]. 陈海涛,宋申民,李学辉. 中国惯性技术学报. 2017(04)
[2]航天器终端接近的有限时间输入饱和避碰控制[J]. 李学辉,宋申民,陈海涛,郭永. 中国惯性技术学报. 2017(04)
[3]逼近非合作目标的自适应二阶终端滑模控制[J]. 刘海龙,史小平,张杰,毕显婷. 系统工程与电子技术. 2016(10)
[4]航天器姿态跟踪有限时间饱和控制[J]. 宋申民,郭永,李学辉. 控制与决策. 2015(11)
[5]考虑执行器特性的机械臂全阶滑模控制[J]. 曹乾磊,李树荣,赵东亚,曹琪,卢松林. 系统科学与数学. 2015(07)
[6]基于terminal滑模控制的小卫星机动方法[J]. 常琳,金光,范国伟,徐开. 光学精密工程. 2015(02)
[7]阵风干扰下无人直升机轨迹的自适应反步控制[J]. 方星,吴爱国,董娜. 中国惯性技术学报. 2015(01)
[8]月球轨道交会对接航天器相对状态误差分析[J]. 陈少伍,董光亮,樊敏,李海涛,郝万宏. 中国空间科学技术. 2014(05)
[9]服务航天器超近程逼近目标的相对姿轨耦合控制[J]. 张庆展,靳永强,康志宇,肖余之. 系统工程与电子技术. 2015(01)
[10]接近和跟踪非合作机动目标的非线性最优控制[J]. 高登巍,罗建军,马卫华,康志宇,陈晓光. 宇航学报. 2013(06)
博士论文
[1]航天器自主交会对接导航与控制关键技术研究[D]. 陈小平.电子科技大学 2012
硕士论文
[1]一种航天器交会近距离段自适应鲁棒控制算法研究[D]. 冯云昊.重庆大学 2011
本文编号：3246286
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
在轨服务自主停靠任务示意图
中北大学学位论文3天器逼近。在这一阶段航天器之间的距离远超过安全距离，所以在接近过程中只涉及到轨道机动控制，没有相对姿态控制。当追踪航天器到达特定的相对安全距离时就停止轨道机动，这时两航天器的相对距离很近，同时保持在安全距离范围内。最终停靠段：追踪航天器从安全距离开始逼近追踪航天器，在这个过程中不光有相对位置的控制，同时也包括相对姿态的控制，最终实现两航天器相对位置和速度以及姿态满足针对任务操作的停靠。图1-2在轨服务航天器自主停靠过程图Fig1-2Autonomousdockingprocessofanorbitingservicespacecraft在追踪航天器向目标航天器停靠过程中，两个航天器绝对不能发生除任务要求外的碰撞，这是最基础且最根本的条件。另外，在自主停靠过程中要用到导航技术，通常情况下所提到的导航技术是指对航天器在某一时刻的瞬时速度、瞬时姿态以及方向等参数的解算程。以上获得的参数绝对参数，故也可以认为是绝对导航。与通常常用的导航不同,相对导航求解的参数是在轨运行的两航天器之间的相对运动参数。自主停靠过程中采用的是相对导航技术，主要确定参与任务的两航天器之间的相对参数，包括相对轨道参数和相对姿态参数。
中北大学学位论文102.2.2轨道坐标系定义参考坐标系o-xyz，该坐标系用来描述航天器的在空间中的运动状态，航天器的质心作为轨道坐标系的原点，x,y,z三轴的定义在满足右手坐标系的基础上定义较为灵活，常用的三种轨道坐标系定义如图2-2所示。图2-1地球惯性坐标系Fig2-1Earthinertiaframe图2-2轨道坐标系Fig2-2Orbitcoordinatesystem（a）图定义ox由地心指向目标航天器质心的矢量方向；oy在轨道平面内与目标航天器运动的速度矢量方向一致；另一坐标轴oz由右手坐标系确定。（b）图定义ox在轨道平面内与目标航天器速度矢量方向一致；oy由目标航天器质
【参考文献】：
期刊论文
[1]航天器有限时间饱和姿态跟踪控制[J]. 陈海涛,宋申民,李学辉. 中国惯性技术学报. 2017(04)
[2]航天器终端接近的有限时间输入饱和避碰控制[J]. 李学辉,宋申民,陈海涛,郭永. 中国惯性技术学报. 2017(04)
[3]逼近非合作目标的自适应二阶终端滑模控制[J]. 刘海龙,史小平,张杰,毕显婷. 系统工程与电子技术. 2016(10)
[4]航天器姿态跟踪有限时间饱和控制[J]. 宋申民,郭永,李学辉. 控制与决策. 2015(11)
[5]考虑执行器特性的机械臂全阶滑模控制[J]. 曹乾磊,李树荣,赵东亚,曹琪,卢松林. 系统科学与数学. 2015(07)
[6]基于terminal滑模控制的小卫星机动方法[J]. 常琳,金光,范国伟,徐开. 光学精密工程. 2015(02)
[7]阵风干扰下无人直升机轨迹的自适应反步控制[J]. 方星,吴爱国,董娜. 中国惯性技术学报. 2015(01)
[8]月球轨道交会对接航天器相对状态误差分析[J]. 陈少伍,董光亮,樊敏,李海涛,郝万宏. 中国空间科学技术. 2014(05)
[9]服务航天器超近程逼近目标的相对姿轨耦合控制[J]. 张庆展,靳永强,康志宇,肖余之. 系统工程与电子技术. 2015(01)
[10]接近和跟踪非合作机动目标的非线性最优控制[J]. 高登巍,罗建军,马卫华,康志宇,陈晓光. 宇航学报. 2013(06)
博士论文
[1]航天器自主交会对接导航与控制关键技术研究[D]. 陈小平.电子科技大学 2012
硕士论文
[1]一种航天器交会近距离段自适应鲁棒控制算法研究[D]. 冯云昊.重庆大学 2011
本文编号：3246286
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