捕获非合作目标后航天器的自主稳定技术研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJuI252013V01．34No．71520—1530ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：#hkxb．buaa，edu．cnhkxb@buaa．edu．cn捕获非合作目标后航天器的自主稳定技术研究韦文书，荆武兴，高长生*哈尔滨工业大学航天工程系，黑龙江哈尔滨150001摘要：捕获非合作目标后航天器质量特性发生突变，这大大地增加了系统的不确定性，控制不当容易导致失稳。为避免控制过程中航天器出现较大系统

2、干扰问题，提出了先识别捕获后的系统质量特性，而后合理摆放非合作目标的自主稳定策略。首先，对航天器捕获过程和自主稳定策略进行了描述；其次，依据动量矩定理建立了非合作目标与航天器组合系统的数学模型，推导了非合作目标位置与质量特性之间的关系；然后，基于航天器数学模型和姿态测量信息，采用非线性规划方法对质量特性进行了辨识；最后，利用滑模变结构理论设计了非合作目标的控制回路，采用Lyapunov理论对系统的稳定性进行了分析。仿真结果表明：本文提出的自主配平策略响应快、精度高，适合在轨服务。关键词：航天器；非合

3、作目标；自主稳定；辨识；非线性规划方法；滑模变结构控制中图分类号：V448．2文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)07—1520一11随着航空航天技术的发展，航天任务的不断拓展，在轨捕获技术已经成为航天领域的一个研究热点。对非合作目标的抓捕能够实现在轨服务、空间垃圾清除以及一些军事任务，是在轨捕获当中一项极具前瞻性和挑战性的课题。非合作目标的质量特性未知，航天器在轨捕获后将引起自身质量特性突变。如果依然采用动量轮或喷气按照预定的控制逻辑进行控制，则无法保证航天器的稳定性，为确保航天

4、器的后续任务能够顺利完成，需要消除突变带来的影响。从动力学角度讲，克服质量特性突变带来的影响，一方面可通过增加设计冗余，或采用强鲁棒性控制律；另一方面可采用组合体布局重构的方式。后者为在轨捕获五大关键技术中的组合体稳定技术n]，目前研究资料较少。对于非合作目标的研究，目前主要集中在交会对接技术，如陈统和徐世杰研究了非合作目标的自主交会对接[2]；Wingo详细论述了空间拖船(SpaceTug)与非合作目标的交会对接[33；Polites描述了“双子座12号”的空间自主交会捕获技术[4]。而对于组合体

5、调整技术，Regan和Kavetsky率先探索研究了“活动质量块调整器”(MMTC)E5]；Lorell和Lange亦利用移动活动质量体的方式来消除敏感器安装误差、惯性主轴偏移及外部干扰对自旋航天器的影响[6]；文献E7]～文献[9]利用质心调整技术研究了空间站的稳定性；文献[10]～文献[13]研究了三轴旋转航天模拟器的自动配平系统；Dimitrov和Yoshida对捕非合作目标后组合体稳定技术进行了初步研究，但假定目标质量特性信息已知[14I。对于目标质量特性信息未知的情况，目前研究较少。基于此

6、，本文针对捕获信息未知的非合作目标后航天器自主稳定技术，综合文献[103和收稿日期：2012—08．31；退修日期：2012-10—17；录用日期：2013—01．23：网络出版时间：2013-02．2709：20鼹络出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／¨．1929．V．20130227．0920005．htmI基金项目：国家自然科学基金(10902026)*通讯作者．Tel：0451—86418233E-mail：corturb@126com翻用榕武

7、WeiWS，JingWX

8、,GaoCS．Researchautomaticstabilitytechnologyofspacecraftassemblywithcapturednon．cooperativetar．getsonorbitActaAeronauticaetAstronauficaSinicat2013，34(7)：1520—1530．韦文书．裁武兴，高长生．捕获非合千#目标后航天器的自主稳定技术研究．航空学报，2013，34(7)：1520．1530韦文书等：捕获非合作目标后航天器的自主稳定技术研究文献[14]

9、的研究成果，提出一种自主稳定策略：首先通过辨识方法获得捕获后的航天器质量特性；然后调整非合作目标的摆放位置达到对整个系统的质量特性进行自动配平的目的，从而消除参数突变的影响。在研究过程中，考虑到航天器的捕获能力，非合作目标的体积和质量均有一定限制，视非合作目标为质量均匀的刚体、航天器为刚体。1问题描述1．1航天器及捕获过程描述为了使得研究的问题具有通用性，航天器采用标准的反作用喷气姿态控制系统，常规测量设备如星敏感器、太阳敏感器、地球敏感器和加速度计等，如图I所示。这