基于激光测距和惯导的非合作目标远程交会相对导航算法研究

对非合作目标的远程交会,研究了一种基于激光测距和惯导的相对导航方法。给出了由激光测距仪和惯性传感器组成的相对导航系统。设计了相对导航算法:用激光测距获得的相对距离和相对方位、俯仰角度与惯导获得的姿态和位置信息,确定目标飞行器与追踪飞行器相对轨道动力学方程并进行递推,输出相对位置与速度;用激光测距输出的相对距离和相对方位、俯仰角度与惯导获得的姿态、位置信息,由卡尔曼滤波得到相对位置与速度的误差并对递推结果进行修正,修正的结果作为相对导航最终的输出。算例表明:该相对导航方法适于非合作目标远程交会,在远程交会结束时刻,相对位置误差小于1m,相对速度误差小于0.05m/s;相对导航滤波器的加速度计常值偏差估计误差明显小于绝对导航滤波器。     

空间非合作目标快速姿态跟踪导航方法研究

提出了一种空间非合作目标快速姿态跟踪导航方法。在非合作目标相对测量过程中,激光测距仪测距数据具有不连续的特点。当不具备测距数据时,采用基于位置-速度方差修正的姿态跟瞄导航滤波算法,引导追踪航天器完成对目标的粗捕获和保持;当具备测距信息时,通过引入间接量测矩阵和Wonham能控规范型极点配置方法,采用基于全维状态观测器的姿态跟瞄导航滤波算法,完成对目标的连续精确指向跟踪,并通过配置观测器极点调整滤波收敛速度。本文提出的姿态指向跟瞄导航算法克服了非合作目标跟瞄过程中测距信息不连续的问题,与传统扩展卡曼滤波算法相比,能够避免量测方程近似线性化过程中的大量矩阵求导运算,因而提高了跟踪导航滤波的收敛速度,增强了追踪航天器对非合作目标的快速姿态指向与跟瞄能力。     

对接靠拢段的一种相对导航算法研究

自主相对导航技术是空间交会对接靠拢段的关键技术之一。Unscented卡尔曼滤波(UKF)是基于Unscented Transform(UT)变换的一种新型滤波器,它避免了扩展卡尔曼滤波(EKF)的线性化误差,不必计算Jacobian矩阵,而且其状态估计精度要比EKF的高。本文研究了基于UKF滤波器的自主相对导航算法。该算法根据追踪航天器上交会雷达的测量值,采用UKF滤波器对追踪航天器和目标航天器之间的相对位置和速度进行了估计,仿真结果表明该算法可以满足位置和速度估计精度的要求。     

Huber-based滤波在非合作航天器相对导航中的应用

研究了空间非合作航天器的相对导航滤波器,针对Kalman滤波器对非高斯噪声处理会导致性能下降、甚至发散的情况,研究应用Huber-based滤波器对相对测量设备输出的视线角和视线距进行滤波,估计追踪航天器与目标航天器间的相对位置与相对速度。Huber-based滤波器是一种混合l1/l2范数最小估计,对受到污染的高斯分布噪声具有一定的鲁棒性,最后通过仿真校验了该相对导航方法的有效性,其相对位置精度优于3.94m,相对速度精度优于0.04m/s;在目标机动情况下,较EKF抗干扰能力更强,可提高相对导航系统的鲁棒性和稳定性。     

采用双目视觉的非合作空间目标相对导航与惯性参数辨识方法

针对面向在轨服务的非合作空间目标测量感知问题，提出了一种基于双目视觉的相对导航与惯性参数辨识方法。利用目标表面的特征点建立几何坐标系，并分别设计了姿态测量和相对导航滤波器，实现了目标姿态、角速度、轨道，质心位置与惯量比的高精度估计。在此基础上，通过黏附卫星与非合作目标形成组合体，利用相对导航算法获得的质心位置和惯量比在黏附前后的变化，实现了目标质量和转动惯量的辨识。数值仿真试验证明了算法的有效性。     

面向空间目标相对轨道确定的编队优化方法

针对提高空间目标相对轨道确定精度的问题，研究了在主航天器轨道运动受限时，通过设计和优化辅航天器相对轨道要素的航天器编队优化方法。首先，介绍了基于扩展卡尔曼滤波的双视线测量相对轨道确定方法；之后，通过研究双视线测量下的空间目标定位误差变化规律，得到了减小定位误差的角度条件；然后，通过分析该角度条件和辅航天器相对轨道要素的关系，设计并采用遗传算法优化了辅航天器相对轨道；最后，数学仿真结果表明，设计的编队可保证目标相对位置估计误差收敛，优化后的编队可使目标相对位置估计误差减小至0.3 km且不超过1.2 km。     

航天器近程编队自主协同相对导航方法

针对GNSS(全球导航卫星系统)拒止环境下近圆轨道多航天器近距离编队自主协同相对导航问题,提出了利用测角相机偏离航天器质心安装时的杆臂效应和多航天器之间几何一致性约束来实现相对导航的方法。首先,在第二轨道坐标下分别建立了基于Hill Clohessy Wiltshire方程的多航天器编队相对轨道演化模型、测角相机偏离质心安装情况下的相对视线角测量模型;然后,引入多航天器之间几何约束建立了相对轨道状态的一致性约束模型,并基于该约束模型设计了一致性扩展卡尔曼滤波估计算法;接着,对所建立的相对导航模型进行了相对轨道状态的可观测性分析,得到了使相对轨道可观测的相机偏置安装条件;最后,通过数值仿真实验对所提算法进行了校验,并与一致性无约束条件下的估计算法进行了对比分析。仿真结果表明,本文所提算法的相对位置误差能够快速收敛,在5 m传感器偏置和10 -3 rad量级测角误差条件下,多航天器相对定位误差在10 m以内。     

一种参数化非合作目标相对位姿和惯量估计方法

针对故障卫星、失效航天器、空间碎片等空间非合作目标无先验模型,且无法直接获得其角速度及惯量参数等问题,提出一种参数化非合作目标相对位姿和惯量参数估计方法。首先,基于自由航天器姿态动力学模型,用反双曲正切函数来描述含两个独立变量的惯量参数,建立非合作目标角速度传播模型方程;基于立体视觉测量模型,建立非合作目标上若干特征点的量测方程。然后,结合Clohessy-Wiltshire方程描述的航天器间相对运动学模型,以非合作目标的相对位置、相对线速度、相对姿态、惯性角速度及惯量参数为状态量,设计扩展卡尔曼滤波器以估计各状态量。最后,进行不同场景的数值仿真验证。蒙特卡洛仿真结果表明,所设计的滤波器在不同噪声水平下能够高精度地有效估计出非合作目标的相对位姿和惯量参数。     

基于扩展卡尔曼滤波算法的天基平台相对导航方法研究

根据相对运动学关系提出了一种天基平台对非己方目标的相对导航方法.基于测角相机和激光测距仪的组合测量方案,通过扩展Kalman滤波方法来估计天基平台与目标的相对位置和相对速度信息.在近共面轨道和近距离的假设下,给出了一种简化的导航算法,在目标轨道参数未知的情况下进行相对运动参数的估计,并获得了较高的导航精度.     

相对位置和姿态动力学耦合航天器的自抗扰控制器设计

慢旋非合作目标在轨服务任务中,在轨服务航天器不仅需要悬停在目标自旋轴上方保持相对位置不变,而且需要与非合作目标同步慢旋保持姿态一致。此时需要保持的相对位置在目标本体坐标系中为常量,在目标本体坐标系下建立相对位置动力学模型,使相对位置控制系统成为调节系统。然后,建立基于相对姿态四元数的姿态动力学模型,并给出推力偏心力矩的数学描述。基于扩展状态观测器、过渡过程安排技术和非线性反馈控制技术,设计姿态和轨道耦合系统的自抗扰控制器。仿真结果表明自抗扰控制器在解决存在非线性和耦合特性的相对位置和姿态耦合系统的控制问题上能够取得理想的控制效果,具有较高的控制精度和较快的系统响应。     

追踪星跟踪空间非合作目标的相对轨道设计

对空间非合作目标跟踪飞行可以执行观测或监视等任务。首先从一般性出发对追踪星与非合作目标之间的椭圆轨道相对运动方程进行分析,给出具有任意初始条件的相对运动方程解析表达式。其次,对追踪星沿航向跟踪目标并考虑约束条件时的相对轨道设计进行分析后,给出设计追踪星轨道的方法,该方法使得追踪星在保持对地定向的同时也满足测量敏感器的约束条件。最后通过数学仿真进行了验证。     

Relative position and attitude estimation of spacecrafts based on dual quaternion for rendezvous and docking

The capacity to acquire the relative position and attitude information between the chaser and the target satellites in real time is one of the necessary prerequisites for the successful implementation of autonomous rendezvous and docking. This paper addresses a vision based relative position and attitude estimation algorithm for the final phase of spacecraft rendezvous and docking. By assuming that the images of feature points on the target satellite lie within the convex regions, the estimation of the relative position and attitude is converted into solving a convex optimization problem in which the dual quaternion method is employed to represent the rotational and translational transformation between the chaser body frame and the target body frame. Due to the point-to-region correspondence instead of the point-to-point correspondence is used, the proposed estimation algorithm shows good performance in robustness which is verified through computer simulations.     

对无控旋转目标逼近的自适应滑模控制

对追踪器逼近无控旋转目标器的轨迹和姿态六自由度控制问题进行了研究.基于适用于任意偏心率的航天器相对运动轨道和姿态动力学模型,对追踪器逼近无控旋转目标的参考轨迹和参考姿态进行了分析与设计,推导了一种用于六自由度逼近控制的自适应滑模控制器.通过仿真分析,证明了所设计的逼近参考轨迹和参考姿态的合理性,同时验证了自适应滑模控制器的有效性.     

一种用于非合作目标惯性指向轴位置捕获的绕飞方法

本文提出一种用于非合作目标惯性指向轴位置捕获的绕飞方法。该方法依据实时相对位置和目标位置确定绕飞坐标系；在绕飞坐标系中，分别采用扇形轨迹和直线轨迹设计了两类接近轨迹规划策略，利用相对位置和目标位置间的夹角进行规划策略选择，以规划得到过渡目标位置，并采用CW制导进行过渡目标位置的接近控制；为保证绕飞过程中相对测量敏感器始终有效测量，还设计了姿态指向控制律使追踪航天器x轴指向目标航天器。数学仿真校验了所设计方法的有效性。     

访问多个特定相对位置的航天器轨道设计

在航天器轨道设计问题中,将惯性空间中经典的吉布斯三矢量定轨方法拓展到相对运动空间中,给出了一种相对运动条件下的三矢量定轨方法。针对已知轨道的目标航天器,以及二个或三个给定的空间相对位置,基于相对运动方程,提出了设计跟随航天器飞行轨道的数值方法。以轨道面共面或异面,以及目标航天器轨道形状为椭圆或圆,将问题分为四种情况进行约束条件和自由变量个数的分析讨论。对于自由变量个数多于约束方程的情况,额外给定周期重访约束,将各种情况下的特定相对位置访问问题转化为一至二维的非线性方程(组)求解问题。对一维方程求解采用分段黄金分割+割线法进行快速求解;对二维方程组通过网格法搜索迭代初值并通过牛顿迭代快速求解。进一步基于线性模型的解,采用微分修正方法求解了各情况下J2摄动模型下的结果。数值算例验证了提出方法的正确性及有效性。     

基于Sigma-point卡尔曼滤波的INS/Vision相对导航方法研究

针对无人机编队常用的leader-follower(领航-跟随)飞行模式,提出了一种考虑视觉导航设备输出时间延迟问题的INS/Vision相对导航方法,给出了leader与follower之间的相对惯导方程以及相对视线矢量测量原理.由于INS/Vision相对导航系统是一个强非线性系统,采用Unscented卡尔曼滤波融合相时惯导信息和相对视线矢量信息,从而估计出leader与follower之间的相对位置、相对速度和相对姿态,受姿态四元数的归一化限制,在滤波中采用罗德里格斯参数作为姿态误差状念,对于视觉导航系统量测量存在时间延迟的问题,给出了延迟后的量测量与当前惯导信息融合的方法,最后通过仿真研究证明了方法的有效性.     

有限推力下相对绕飞轨道的直接形成

提出了一种有限推力下主动航天器在完成轨道转移的同时形成相对目标航天器绕飞的方法。根据以改进春分点轨道根数表示的非奇异轨道摄动方程,用变分方法将问题转化为经典的最优控制,由相对运动动力学获得主动航天器实现绕飞须满足的终端约束条件,再用非线性规划求解。给出了求解模型。理论分析和仿真结果表明,该方法理论上可行,但为减少干扰产生的偏差,还需对绕飞形成过程中的导引率进行研究。     

Automatic rendez-vous scheme proposed for an unmanned (or manned) vehicle with a space station

A method for automatic rendez-vous between an active vehicle, and a passive orbiting vehicle (typically a space station on a circular orbit) is presented. The main interest of the method is the simplicity of system implementation, and the small requirements on vehicle maneuvres and on-board computations, rather than in the mathematical optimization of fuel expenditure or elapsed time.The chaser is at first put on a circular orbit, lower and nearly coplanar to the orbit of the target (space station). An open-loop transfer of the chaser is performed, in order to put it in a window appropriated for automatic rendez-vous. When the relative distance of the two vehicles is small enough, a radar is used on the chaser for continuous determination of relative position and speed. An on-board computer is used then to derive the moments of application of corrective thrusts and their orientation. The scheme leads to a series of corrections nearly equally spaced in time, and the chaser approaches the target exponentially. Out of plane errors are also corrected. When the vehicles are close, the docking phase is initiated, which can be performed either automatically or manually. Even in manual control, an automatic loop is used in order to give the pilot simple motions in response to the control.     

采用双目视觉测量的行星着陆相对导航方法

针对缺少行星表面陆标位置和探测器初始状态等先验信息情况下行星着陆导航问题,提出一种采用双目视觉测量的行星着陆相对导航方法。首先,利用行星表面陆标的双目视觉测量信息建立相对导航坐标系并计算陆标在相对导航坐标系下的位置,然后利用基于奇异值分解（SVD）的优化方法得到探测器在相对导航坐标系下的初始状态估计,最后利用陆标的视觉测量信息估计探测器在相对导航坐标系下的位置、速度和姿态。以火星着陆为例进行数学仿真分析,仿真结果表明本文提出的方法是有效可行的。     

行星着陆动力下降段相对视觉导航方法

针对行星着陆动力下降段视觉导航自然路标匮乏的问题，提出了一种相对视觉导航方法。该方法利用相机和雷达的测量信息构建相对导航坐标系并求解随机视觉特征点在该坐标系下的位置矢量，利用求解得到的特征点为导航参考，设计相对导航系统，估计着陆器在相对导航坐标系下的位置、速度及姿态信息。同时，构建可观性矩阵，解耦分析位置和姿态的可观性。通过可观性分析可知利用相对导航坐标系下的一个随机特征点即可实现着陆器全状态可观。最后通过仿真分析着陆器状态误差，验证了可观测度理论分析及导航性能。该相对导航方法无需行星地形数据库，且可以实现着陆器全状态的高精度估计，满足行星精确软着陆的需求。