空间非合作目标状态估计与消旋方案设计

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1、硕士学位论文空间非合作目标状态估计与消旋方案设计STATEESTIMATIONANDDE-TUMBLINGOFSPACENON-COOPERATIVETARGETS邱爽哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：V448.2学校代码：10213国际图书分类号：629.7密级：公开工程硕士学位论文空间非合作目标状态估计与消旋方案设计硕士研究生：邱爽导师：郭延宁副教授申请学位：工程硕士学科：控制工程所在单位：航天学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V448.2U

2、.D.C:629.7DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringSTATEESTIMATIONANDDE-TUMBLINGOFSPACENON-COOPERATIVETARGETSCandidate：QiuShuangSupervisor：AssociateProf.GuoYanningAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ControlEngineeringAffiliation：Schoolo

3、fAstronauticsDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要随着航天技术的不断发展，人类的航天活动愈发频繁。许多空间任务涉及空间非合作目标的抓捕，如：辅助入轨、在轨维修、加注燃料、碎片清除、拖曳离轨等。因此对空间非合作目标实施安全、可靠的在轨捕获是空间任务中最关键的技术之一。空间非合作目标的特点是未安装有用于服务航天器捕获的抓捕装置，而且无法与外界进行

4、通信，同时在空间中处于自由翻滚的状态，无法对自身的姿态进行控制和调节。因此，若能在捕获前精确得到空间非合作目标的结构特征信息、惯性信息以及姿态信息并且对非合作目标进行消旋控制，使其角速度减小，对后续的直接抓捕及在轨任务的操作将十分有利。本论文主要针对空间非合作目标的在轨捕获任务，考虑目标先验信息未知以及在空间中处于自由翻滚的运动状态，开展空间非合作目标的惯量特性与姿态信息估计及消旋方案研究。主要研究内容如下：详细介绍了本文将用到的参考坐标系的定义，建立了空间非合作目标的姿态运动学和动力学方程，并分析了两种典型

5、的目标运动状态。介绍了状态估计的理论知识，为后续算法的提出奠定了基础。针对空间非合作目标的状态估计问题，首先基于微分法得到了目标在特征坐标系下的角速度的粗估计值；然后利用这个结果来估计空间非合作目标在特征坐标系下的惯量矩阵比，再通过旋转变换得到主惯量比；接着利用主转动惯量比的估计结果建立空间非合作目标在本体系下的动力学和运动学方程，作为扩展卡尔曼滤波的状态方程，得到空间非合作目标角速度的精确估计值。进而，考虑测量传感器的频率与状态输出频率不匹配问题，设计了非等周期滤波算法估计目标的角速度等信息。针对空间非合作

6、目标的消旋方案设计，首先介绍了电磁学的基本原理，明确了涡流产生的条件；然后分析了磁梯度张量的计算式和相关性质，得到了利用磁梯度张量表示的涡流力矩的形式；接着设计了基于涡流力矩的空间非合作目标的消旋方案，消旋的步骤为：首先使磁场方向与目标自旋轴垂直，以消除目标的章动角，将目标从翻滚运动变为单轴自旋；然后使磁场方向与目标角速度方向垂直，衰减目标角速度。期间需要控制目标与外加磁场的相对位置关系，保证作用于目标的是匀强磁场。最后利用数值仿真验证了方法的正确性，有效性和可行性。关键词：空间非合作目标；惯量特性估计；姿态

7、信息估计；磁梯度张量；涡流力矩；消旋方案设计；-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractWiththedevelopmentofspacetechnology,humanspaceactivitiesbecomemoreandmorefrequent,whichmakesmorespacedebriscausingspaceenvironmentpollution.Inordertokeepthespaceenvironmentsafeandstable,itisnecessarytocarryou

8、ttheactivecaptureandremovalofspacedebris.Mostofthespacedebrisarespacenon-cooperativetargets,whichhavenocapturedevice,andcan'tcommunicatewiththeservicespacecraft.What’smore,theylosecontroloftheirownatti