近地小行星近距離衛(wèi)星編隊自主導航與構形控制技術研究.pdf

1、近地小行星探測是為揭示太陽系起源、演化及組成而開展的深空探測活動。由于近地小行星中存在著一類對地球安全具有潛在威脅的小行星，近地小行星探測和軌道偏轉技術成為近年來的研究熱點。在執(zhí)行近地小行星探測及偏轉任務時，目標小行星的軌道確定和探測衛(wèi)星的自主導航與控制是其技術關鍵。由于小行星的物理特性無法精確獲取，導致小行星附近的動力學環(huán)境無法確定，從而給衛(wèi)星的導航和控制帶來挑戰(zhàn)，精確的自主導航方法與控制策略對任務成敗起著至關重要的作用。本文針對近地

2、小行星近距離衛(wèi)星編隊的自主導航與構形控制問題開展研究，主要研究成果如下：
　　提出一種融合星間相對觀測信息的衛(wèi)星編隊多傳感器組合自主導航方法。建立小行星-衛(wèi)星編隊相對運動的動力學模型。構建一種改進的“小行星成像/距離+星間距離”觀測模型，將星間距離觀測信息與衛(wèi)星觀測小行星的導航信息組合。基于EKF濾波算法，估計編隊中衛(wèi)星相對于小行星的位置和速度。研究結果表明，加入星間距離測量信息可以提高導航精度，改善導航系統(tǒng)性能。
　　針對

3、近地小行星繞飛衛(wèi)星編隊的相對導航問題設計自主導航方案，提出引入星間位置矢量測量的協(xié)作導航方案。構建目標小行星表面特征點相對衛(wèi)星的三維位置矢量觀測模型。同時，在導航系統(tǒng)觀測模型中引入星間三維位置觀測矢量，將不同觀測量組合構成四種導航方案，包括：兩種無星間觀測信息的非協(xié)作導航方案和兩種包含星間觀測信息的協(xié)作導航方案。基于UKF濾波算法進行仿真對比分析，表明協(xié)作導航方案導航精度高、導航系統(tǒng)性能更優(yōu)。分析了導航系統(tǒng)對觀測誤差和過程噪聲的敏感度和

4、魯棒性，結果表明協(xié)作導航方案提高了導航系統(tǒng)的魯棒性，降低了導航系統(tǒng)對噪聲的敏感度。
　　針對相對慢自旋近地小行星近距離運行的衛(wèi)星編隊，提出了編隊自主軌道確定與控制方法?？紤]目標小行星的重力引力及攝動力、太陽引力、太陽光輻射壓力等各種干擾因素的影響，建立包含上述干擾項的復雜動力學模型?；诶钛牌罩Z夫穩(wěn)定性理論設計控制律，并將其引入濾波估計狀態(tài)量，實現(xiàn)對衛(wèi)星軌道的實時控制?；赨KF濾波算法設計導航濾波器，仿真驗證了該方法的有效性和正

5、確性。將編隊中衛(wèi)星數(shù)目由兩顆擴展至四顆，針對導航系統(tǒng)可能存在的信息冗余問題和傳感器失效問題，提出高精度半協(xié)作導航方案，仿真結果表明，半協(xié)作導航方案導航精度有所提高，局部傳感器失效不會降低系統(tǒng)的導航精度。
　　提出了近地小行星絕對軌道確定方法。研究將星上導航信息與地面觀測信息融合的方法，同時估計小行星和編隊中衛(wèi)星的絕對軌道，實現(xiàn)小行星高精度絕對軌道確定。針對當?shù)厍蜃赞D導致地面觀測信息短暫失效的情形，在觀測模型中引入多普勒測速儀觀測衛(wèi)

6、星沿太陽視線矢量方向的速度信息。仿真結果表明，該方法能夠實現(xiàn)小行星實時高精度軌道確定。
　　研究基于循環(huán)追蹤算法的衛(wèi)星編隊構形控制方法及其在小行星探測中的應用。針對圓軌道編隊構形重構任務，設計了繞飛平面內采用非線性循環(huán)追蹤控制、繞飛面法向采用基于模糊控制思想的分段比例微分控制器聯(lián)合控制方法。針對橢圓軌道衛(wèi)星編隊的構形控制問題，以小行星近距離繞飛衛(wèi)星編隊為研究對象，設計了循環(huán)追蹤協(xié)同控制策略，有效抑制衛(wèi)星在小行星攝動力影響下產生的軌