小行星探测器着陆段自主导航与控制方法的研究

发布时间：2017-10-04 00:15

  本文关键词：小行星探测器着陆段自主导航与控制方法的研究

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【摘要】：本课题来源于国家科技部“973”计划子课题“不规则弱引力场中探测器运动行为分析与着陆控制”。导航、制导与控制作为远太空探测最基本也是最核心的一项技术,不仅影响航天器整体性能,而且对探测任务能否顺利完成至关重要。由于着陆采样在人类实施行星探测任务中有着重要的研究价值,因此小行星软着陆技术成为近几年的研究热点和难点。依据航天器软着陆过程特点及控制要求,本文针对航天器导航及控制方法进行了较为详细的研究和探索。论文的主要研究内容包括:首先,剖析着陆过程中航天器的动力学行为,在研究基本运动理论-牛顿运动定律和数学知识原理-相对微分原理的基础上,综合考虑小行星弱引力场所产生的不规则引力以及星体自旋等因素,推导出轨道动力学模型。其次,针对航天器着陆任务导航精度要求,考虑探测小行星系统非线性等特性,提出一种光学导航信息辅助惯性测量单元组合导航方式。建立了惯性测量与光学测量模型,同时以目标着陆点作为参考点,推导了自主导航滤波模型,提出基于强跟踪的容积卡尔曼导航滤波器,在导航系统有不确定项时能够保持其估计性能,进而计算出航天器所在位置以及自身的姿态状态,同时,减小测量噪声干扰。仿真实验验证了本文所提出的导航方法的有效性和滤波器的优越性。最后,对比研究了着陆段的多种控制策略。为减少航天器燃料耗损,基于燃料次最优理论对航天器标称轨迹进行规划,同时给出其标称轨迹制导方法。针对探测器控制系统非线性特点和滑模变结构控制存在抖振、轨迹跟踪收敛速度慢的问题,详细研究了双幂次趋近律滑模变结构控制方法及其控制性能,提出了基于双幂次趋近律的超曲面滑模控制方法。同时针对动力学模型中不确定项与干扰项,重构复合干扰项,给出了简单有效的干扰观测器设计方法,并对其估计补偿。仿真实验结果表明,所提出的控制策略能够保证航天器规划轨迹的快速跟踪,且使航天器降落过程平稳、准确。
【关键词】：小行星 软着陆 超曲面终端滑模 自主导航
【学位授予单位】：长春工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V448.2
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 第一章 绪论7-15
• 1.1 课题研究背景及意义7-8
• 1.2 小行星探测发展概述8-11
• 1.3 深空探测自主导航与控制方法研究现状11-14
• 1.4 本文主要内容及章节安排14-15
• 第二章 弱引力环境下探测器动力学模型建立15-26
• 2.1 探测器着陆阶段和动力学行为分析15-16
• 2.2 小行星引力势模型16-20
• 2.3 探测器轨道动力学20-23
• 2.3.1 坐标系定义及转换关系20-21
• 2.3.2 着陆段动力学方程21-23
• 2.4 探测器着陆段的姿态动力学23-25
• 2.4.1 探测器的姿态运动学23-25
• 2.4.2 探测器姿态动力学模型建立25
• 2.5 本章小结25-26
• 第三章 光学量测信息辅助惯性导航方法研究26-40
• 3.1 自主导航系统26-27
• 3.2 光学惯性组合导航系统27-30
• 3.2.1 光学导航系统27-29
• 3.2.2 惯性导航系统29-30
• 3.3 探测器自主导航滤波模型30-31
• 3.4 基于强跟踪的容积卡尔曼导航滤波器的设计31-37
• 3.4.1 强跟踪滤波器性能分析32-35
• 3.4.2 强跟踪容积卡尔曼滤波器设计35-37
• 3.5 仿真实验研究37-39
• 3.6 本章小结39-40
• 第四章 小行星探测器着陆段控制方法研究40-57
• 4.1 探测器制导律方法研究40-42
• 4.1.1 常用制导方法40-41
• 4.1.2 标称轨迹制导律设计41-42
• 4.2 基于双幂次趋近律的超曲面终端滑模控制42-51
• 4.2.1 滑模变结构控制基本理论42-47
• 4.2.2 非线性超曲滑模面设计47-48
• 4.2.3 终端滑模控制器设计及稳定性分析48-50
• 4.2.4 双幂次终端滑模控制器设计50-51
• 4.3 非线性干扰观测器设计51-54
• 4.4 仿真实验研究54-56
• 4.5 本章小结56-57
• 第五章 全文总结57-58
• 致谢58-59
• 参考文献59-63
• 作者简介63
• 攻读硕士研究成果63

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