空间非合作漂旋目标的逼近与跟踪控制

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1、国内图书分类号：V448.2学校代码：10213国际图书分类号：629.78密级：公开工学博士学位论文空间非合作漂旋目标的逼近与跟踪控制博士研究生：韩飞导师：段广仁教授申请学位：工学博士学科：控制科学与工程所在单位：控制理论与制导技术研究中心答辩日期：2018年3月26日授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V448.2U.D.C:629.78DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringCONTROLMETHODFORAPPROACHINGANDTRACKINGTHENON-COOPERATIV

2、EFLOATINGANDTUMBLINGTARGETINSPACECandidate：HanFeiSupervisor：Prof.DuanGuangrenAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：ControlScienceandEngineeringAffiliation：CenterforControlTheoryandGuidanceTechnologyDateofDefence：2018.3.26Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteo

3、fTechnology摘要摘要空间失效航天器不具备合作的姿轨控制和信息交互支持能力；轨道处于空间摄动力作用下的自由漂飞状态；姿态处于空间摄动力矩作用下的慢旋或翻滚状态。本文将具备上述三方面特征的失效航天器称为空间非合作漂旋目标。针对此类目标的在轨服务任务面临任务环境高动态强时变、测量不确定性与大时延、复杂多约束等不利条件，使得空间非合作漂旋目标的逼近与跟踪控制成为亟待解决的瓶颈问题和国内外研究的热点问题。针对该问题，本文在动力学特性分析与建模的基础上，重点研究了复杂构型目标多约束下的姿轨同步逼近轨迹规划方法、姿轨耦合逼近与跟踪控制方法。主要包括以下内容：分析了逼

4、近与跟踪非合作漂旋目标的姿轨耦合、多源测量误差传递等问题。通过分析空间漂旋目标的旋转运动特性，得出典型构型漂旋卫星的螺旋章动特性，进而设计了包含姿轨跟踪状态建立和最终逼近两个阶段的任务流程。分别建立了追踪星与目标星质心之间和表面之间的相对姿态和轨道耦合的动力学模型。建立了姿轨测量与导航误差在系统中的传递模型，通过数学仿真分析了从测量与导航误差到控制输入误差的传递影响。针对姿轨跟踪状态建立阶段的逼近轨迹规划问题，研究了多约束下的姿轨同步逼近最优轨迹规划方法。综合考虑安全防撞、视线跟踪、羽流规避、控制受限等约束，构建了复杂构型目标逼近与跟踪的多约束模型。建立了13个

5、状态量的姿轨同步逼近最优控制问题描述方程，基于高斯伪谱法设计了非线性规划求解流程。为提高轨迹规划的运算效率，建立了姿轨同步逼近的虚拟域逆动力学模型、虚拟域与时域之间的状态量转换模型，进而设计了多约束下的轨迹规划解算流程。数学仿真结果表明：两种方法均可获得满足多约束条件的姿轨同步逼近轨迹；高斯伪谱法的时间或能量目标函数更优；虚拟域逆动力学法的计算效率相比高斯伪谱法大幅提升，但只能得到时间或能量次优的轨迹。针对姿轨跟踪状态建立阶段的姿轨同步控制问题，给出了一种双滑模面姿轨耦合控制方法，并分别通过数学仿真和地面微重力试验验证了有效性。为保证系统在不确定性、有界干扰等因

6、素影响下的控制性能，提出了一种双滑模面控制方法，并证明了闭环系统稳定性，进而利用该方法设计了逼近和跟踪漂旋目标的姿轨耦合双滑模控制律。综合考虑有界干扰、测量误差、输入受限、系统不确定等因素，对传统单滑模面控制方法和本文提出的双滑模面控制方法开展数学仿真，结果表明：双滑模面控制方法在控制闭环中引入了状态偏差的积分项，且可自动补偿各种因素影响，使得稳态控制偏差和噪声同时得到明显改善。基于地面微重-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文力半物理试验系统，设计了轨道面内对漂旋目标逼近与跟踪的任务场景，验证了双滑模面控制方法在GNC全系统实时闭环、微重力动力学条件下的有效性。

7、针对最终逼近阶段的相对姿轨耦合控制问题，考虑距离目标过近导致无法直接测量相对姿轨状态的情况，基于所提的双滑模面控制方法，引入图像点坐标信息和期望广义速度，给出了一种间接估计辅助的图像视觉伺服双滑模控制方法。通过任务场景设定和仿真分析，发现基于间接估计信息的控制方案无法满足任务需求，甚至可能导致与目标碰撞。为此，基于图像视觉伺服思想，建立了超近距离姿轨跟踪的成像运动模型，将图像视觉伺服的期望广义速度、图像位置信息引入双滑模面控制闭环，从而提出了一种间接估计辅助的图像视觉伺服双滑模控制方法。数学仿真结果表明：与基于间接估计信息的控制方案相比，该方法的控制性能明显改善

8、，可为空间漂旋目标的最终