在轨服务航天器对目标的相对位置和姿态耦合控制

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaMay252011V01．32No．5857-865ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：#hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．CR文章编号：1000—6893(2011)05—0857—09在轨服务航天器对目标的相对位置和姿态耦合控制卢伟，耿云海，陈雪芹*，王峰哈尔滨工业大学卫星技术研究所，黑龙江哈尔滨150080摘要：研究在轨服务航天器自主逼近与捕获目标航天器过程中的相对位置和姿态耦合动力学与控制问题。考虑控制输入耦合，建立服务航天器对目标航天器的相

2、对位置和姿态一体化耦合动力学模型。基于此耦合动力学模型，考虑相对位置跟踪中的控制指令耦合和控制输出受限，利用反馈线性化理论，设计相对位置和姿态一体化耦合控制算法。并利用李雅普洛夫理论证明存在有界干扰时控制系统的稳定性。数学仿真的结果表明，相对位置和姿态一体化耦合控制算法是有效的，具有较好的跟踪性能和一定的抗干扰能力。关键词：航天工程；在轨服务；耦合控制；航天器交会；航天器对接；卫星跟踪；位置；姿态中图分类号：V448．2文献标识码：A服务航天器通过执行对目标航天器的在轨监测、在轨检测、在轨修复、燃料加注以及空间垃圾的清理等空间任务，来拯救失控目标航天器或是延长目标航天器的寿

3、命，以降低成本，增加经济效益。利用小卫星对目标航天器进行在轨服务的成本和经济效益更为显著，并已取得了初步的发展。例如：美国国家航空航天局(NASA)的DART[¨，美国空军系列小卫星试验项目XS孓10[2]和XSS_11[3]，以及美国国防部高级研究规划局的在轨服务项目轨道快车(OE)[4。53和空间清道夫(SUNO)[引。在轨服务中一项非常重要的关键技术便是服务航天器自主逼近与捕获目标航天器的相对位置和姿态控制技术。在轨服务往往需要服务航天器与目标航天器进行交会对接，以利于空间服务任务的进行。所以，在轨服务航天器近距离自主逼近与捕获目标航天器时，需要在对接前使服务航天器的

4、对接臂对准目标航天器的对接端口。因而，在这一过程中，一方面需要设计服务航天器的相对位置控制律，使服务航天器沿着目标航天器的对接端口方向逼近目标航天器；另一方面，需要设计服务航天器的姿态跟踪控制律，使服务航天器跟踪目标航天器的姿态，即姿态同步，以实现服务航天器的对接臂沿着逼近方向指向目标航天器的对接端口。显然，在轨服务航天器自主逼近与捕获目标航天器的过程中，相对位置和姿态是耦合的。其耦合主要体现在两个方面：一是相对位置的跟踪指令随着目标航天器姿态的变化而变化，这种耦合是由控制指令产生的，因而，称其为控制指令耦合；二是服务航天器推力器产生的推力在Hill坐标系(LVLH)下的表

5、达与目标航天器和服务航天器的姿态都有关，这种耦合是由轨道推力引起的，所以，称其为控制输入耦合。对于在轨服务的研究，主要集中在机械臂的运动轨迹规划与控制[7唱]，以及相对导航与制导技术[9。州，而对于耦合控制的研究非常有限。相对收稿日期：2010-08—06；退修日期：2010-10—13；录用日期：2010．11-22；网络出版时间：2010·12-1317：48网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20101213．1748．002hlmIDOI：GI、lIKI：1I-1929／V．20101213．1748．002基金项目：国

6、家自然科学基金(60904051)；中国博士后科学基金(20090450126)*通讯作者．Tel．：0451-86402357-8306E-mail：cxqhit@163．corn萼l甩格武I卢伟，敢云海．陈雪芹．等．在轨服务航天器对目标的相对住i和姿态校合控翩EJI．航空学摄．2011．32(5)：857-865÷LuWei，GengYunhai，ChenXueqln，etal．Coupledcontrolofrelativepositionandattitudeforon-orbitservicingspacecraftwithre-specttotarget[J-．

7、ActaAeronauticaetAstronauticaSinica。2011．32(5)：857-865．航空学报May252011V01．32№．5位置和姿态的耦合动力学与控制研究是近些年才提出的，Sebastian[113针对编队飞行卫星，建立了相对位置和姿态的耦合动力学模型，Pan和Kapi—la[1幻在研究编队飞行卫星的动力学建模与控制时，推导了从星相对于主星的位置和姿态耦合动力学模型，并考虑质量和转动惯量都未知的情况，基于李雅普洛夫理论，设计了自适应的非线性控制器。Pan等[13。14]针对没有线速度