空间非合作目标未知构型重建质量评估方法

针对基于线阵激光雷达扫描重建获得的三维模型,因其构型未知,无法通过模型对比进行质量评估,本文着重研究未知构型的质量评估方法。首先,采用3σ优化的最小二乘法对空间非合作目标点云平面与直线进行拟合;其次,从点云密度、重建几何性质、表面完整度进行重建质量评估,再基于上述三种评估方法建立多因素综合评估数学模型,对三维重建结果进行满意度质量评估;最后通过仿真实验验证评估方法,获得多因素综合评估满意度为95.5889%,实验结果表明该评估方法合理且具有参考价值。该研究不仅能验证基于线阵激光雷达三维重建结果的精度,还为空间非合作目标未知构型质量评估提供一种新的研究思路。     

空间非合作目标在轨光学捕获方法研究

针对空间非合作目标尺寸和运动特性差异大、现有基于单一特性的捕获方法适应性差的问题,设计了星图信息和运动特性相结合的非合作目标光学捕获方法。并结合硬件电路特性,提出了一种基于DSP+FPGA异构双核目标捕获嵌入式平台架构,解决了在轨应用难题。通过全物理仿真试验对实现的非合作目标嵌入式捕获系统的功能和性能进行了全面测试。结果表明,系统具备1024×1024@20p格式视频的实时处理能力。且对于不同运动速度、不同尺寸的非合作目标均能够准确捕获。采用蒙特卡罗方法随机生成了1000个初始视轴指向进行测试,基于电子星图模拟器和光学星图模拟器的目标捕获正确率均达到99.8%。综合而言,该解决方案的计算精度高,鲁棒性好,适应性强,能够有效应用于执行高精度非合作目标在轨监测和清理等任务。     

空间非合作目标超近距离位姿测量技术研究

对一种基于显著特征点的空间非合作目标超近距离位姿测量技术方案进行了研究。给出了方法的流程。介绍了非合作目标捕获与跟踪、特征提取、特征匹配、三维结构重建、相对位置与相对姿态测量等关键技术。仿真结果验证了其可行性。     

非合作式自主交会对接的终端接近模糊控制

研究了非合作式自主交会对接（AR＆D）的终端接近问题。文中根据视线相对运动方程，设计了一个模糊控制器来实现终端接近制导。通过选择合适的模糊输入变量，设计了三个通道独立的模糊规则库。用乘积推理机、单值模糊器和中心平均解模糊公式获得模糊控制器输出。最后，本文用精确的轨道模型进行了数值仿真，验证了该模糊控制器是可行的，该控制器满足非合作式自主交会对接终端接近的高精度、安全无碰撞的要求。     

非合作空间目标自主交会凸优化制导技术

为解决非合作空间目标机动、自旋、章动等动态特性对自主交会过程带来的困难和挑战,在某飞行器姿轨控一体化推进系统配置的基础上,充分考虑各类约束后构建标准的凸优化自主交会数学模型;着重分析了非合作目标动态特性对制导误差的影响,设计相应的修正策略;以原始对偶内点法作为核心求解器,设计了具备状态预测和更新能力的制导算法;数学仿真验算表明,该方法合理可行,克服了动态特性造成的接近轨迹偏差,良好地适应了非合作交会任务。     

非合作目标相对位置输出反馈鲁棒控制

非合作目标在轨服务任务中,在轨服务航天器需要逼近并保持在非合作目标附近.在目标本体坐标系下建立相对位置动力学模型,使得相对位置控制系统成为调节系统,并设计一种基于线性矩阵不等式(LMI)的鲁棒H∞输出反馈控制器.仿真结果表明,所设计的方法对解决非合作目标相对位置保持问题具有理想的控制效果.     

空间非合作目标质量特性在轨辨识

提出基于系统动力学方程的空间非合作目标质量特性辨识算法。利用递推最小二乘法辨识空间机器人抓捕非合作目标后系统整体的质量特性,进而根据多体动力学的建模方法,通过几何关系解算得到非合作目标与末端作用器联合体的质量特性参数。仿真分析验证了该辨识算法的有效性。     

基于追逃博弈的非合作目标接近控制

针对追踪航天器接近非合作目标任务中的相对位置控制问题,提出了一种基于线性二次型追逃博弈的控制方法。首先,将非合作目标接近问题转化为二人追逃博弈问题,并设计了二次型目标函数。其次,结合相对运动模型,建立了线性二次型追逃博弈模型。为得到纳什均衡策略,将HJ方程转化为代数黎卡提方程,并给出了李雅普诺夫迭代法对其求解。最后,对博弈控制方法的有效性进行仿真验证,结果表明,该方法能够在非合作目标机动时实现轨道接近控制。     

非合作目标交会接近的自主检测和跟踪方法研究

提出一种针对空间非合作目标交会接近的自主检测和跟踪方法。在摄像机捕获原始图像后,利用推导的主动星高精度姿态来确定摄像机的精确指向,并结合恒星星库进行初步恒星对象剔除操作,随后基于不同对象在图像中的运动轨迹差异进行目标的精确识别。在目标仅视线角可观测的条件下,基于相对轨道根数建立相对运动方程,并利用扩展卡尔曼滤波器(EKF)构建仅测角相对导航滤波器以推导出主动星和目标之间的相对运动状态。最后通过搭建的半物理仿真平台,对该方法在3种轨道场景中的性能进行了仿真测试,结果显示,当卫星姿态确定的指向精度在优于3″的条件下,该方法的目标检测正确率在96%以上,提出的仅测角相对导航滤波器的相对定轨精度在所测距离范围的1%以内。     

四十年空间交会对接技术的发展

空间交会对接问世至今,已经有40年历史,在轨成功实现交会对接约300多次。文章首先从技术发展角度分析研究40年来交会对接过去和现在的技术水平、空间活动典型事例;其次讨论在轨服务技术和分析常用7种交会对接敏感器的总体性能,并作相互比较;最后讨论未来交会对接技术发展趋势。     

空间绳系机器人抓捕非合作目标的质量特性参数辨识

针对空间绳系机器人抓捕非合作目标/空间垃圾后需要对其进行回收/拖曳的精确控制问题,提出了一种利用抓捕后保持阶段的振动特性辨识目标参数的方法。首先,根据质量特性参数辨识的需要,推导了系统的动力学模型。不同于以往将本体卫星和被抓捕目标简化为质点的动力学模型,本文针对任意的目标抓捕位置,在考虑重力梯度影响的基础上,利用拉格朗日法获得系统各广义坐标的动力学公式。然后,分析非合作目标和系绳在后抓捕保持阶段的姿态运动。最后,在非合作目标与本体卫星没有任何信息交互的情况下,利用后抓捕阶段目标卫星和系绳特有的振动,并使用具有鲁棒性可遗忘因子的递推最小二乘法,提出了包括转动惯量和质心到任意抓捕点距离在内的质量特性参数辨识算法。     

非合作目标交会相对导航方法研究

本文对一类非合作目标交会的相对导航问题进行了研究。基于近圆轨道上运行的非合作目标航天器初始轨道、追踪航天器在惯性空间的瞬时位置及追踪航天器到目标航天器的视线仰角和方位角等信息,文章从相对距离和相对姿态的确定及相对导航滤波器的设计三方面入手,提出了相对位置和相对速度等相对导航参数的获取方法。数学仿真验证了该方法的有效性。     

考虑时间状态的敏捷自主在轨服务航天器高维运动规划研究

针对敏捷自主在轨服务航天器自身和所在复杂空间环境等特点,研究其在轨灵巧、精确服务的运动规划问题,提出了以平动、转动和时间为状态的改进的快速搜索随机树高维运动规划方法。仿真算例检验了该规划方法的有效性,结果表明它不仅满足敏捷自主在轨服务航天器在一定约束条件下按照指定时间到达指定地点的高维运动要求,而且对离线与在线规划两种模式也具备较强的适应性。
     

静止轨道卫星远程交会策略设计

针对静止轨道卫星在轨服务任务,提出一种4脉冲远程快速交会规划方法,可在5圈内完成远程交会。调相策略设计中,通过对基于近圆偏差方程的变轨规划策略进行改进,设计得到了3脉冲调相方案。首先,固定第1和第2调相脉冲执行位置,对3个调相脉冲的速度增量及第3调相脉冲的执行位置进行设计优化;再固定第1调相脉冲,对第2和第3调相脉冲的速度增量和执行位置进行再次优化。轨道面调整设计中,通过求解轨道面节线位置,采用单一法向脉冲进行轨道面修正。数学仿真校验了所提出方法的有效性。     

在轨服务中空间系绳的应用及发展

针对空间系绳在空间在轨服务中的应用与发展问题,在简述空间系绳传统应用及试验情况的基础上,综述了空间绳系机器人、空间绳网机器人两类新在轨应用方式的研究和发展,主要包括动力学建模、结构设计、相对状态测量、逼近/抓捕控制、拖曳变轨等。最后进一步讨论了空间系绳未来的研究方向。     

视觉导引受限下空间绳系机器人最优逼近控制

针对空间绳系机器人对目标逼近过程中单目视觉视线角约束和导航信息不全问题,首先建立空间绳系机器人系统动力学模型。然后考虑抓捕器视线角约束,采用高斯伪谱法对空间绳系机器人逼近任务姿轨轨迹进行一体规划。同时设计无需相对目标距离的闭环控制器实现对空间绳系机器人最优姿轨轨迹进行跟踪控制。仿真结果表明,该方案能够克服视觉导引受限的影响,实现空间绳系机器人对位姿最优轨迹的精确跟踪。     

伴飞航天器燃料最优交会

应用遗传算法针对伴飞航天器由共面椭圆伴飞轨道不同位置出发，与中心航天器进行直接碰撞交会和软交会的燃料最优问题，进行了历遍求解。根据计算结果，应用多元线性回归分析得到了直接碰撞最优交会问题的解析解表达式。直接碰撞最优交会问题的解析解可作为软交会问题的次优解。     

空间交会相对状态测定与控制

阐述航天器交会对接最终逼近段相对状态测定与控制算法。测定算法适用于计算机视觉系统,根据标志点构型几何特征,建立非线性测距方程组并构造加权目标函数。对非共面标志点构型（如3点T型与5点锥型）和共面标志点构型（如正方形、矩形、菱形）,目标函数均含标志点间距比率关系项;对共面构型,目标函数还包含共面条件项。按最小二乘法,采用Gauaa-Newton数值迭代法求解测距最佳值;对共面标志点四边形构型,利用对角线交点的虚影像坐标确定测距求解迭代初值。获得测距后即可应用四元数估算法确定相对姿态与相对位置。对相对姿态控制算法,给出相对姿态运动学与动力学方程,讨论相平面法与四元数反馈法的控制设计方法。相平面控制法应用常值推力,针对小姿态角机动的特点,将相对姿态通道解耦为三个独立的二阶子系统,设计相平面推力方向切换函数;四元数反馈法应用本征轴旋转的线性二阶系统瞬态响应特性,选择相对四元数与相对角速率反馈增益系数,确定控制力矩。对相对位置控制算法,将实际位移对标称位移之差作为控制变量,阐述所需速度增量最小的双冲量机动。大量模拟计算结果表明相对状态测定与控制算法是有效的。     

单目-无扫描3D激光雷达融合的非合作目标相对位姿估计

针对传统的利用单一视觉传感器难以实现复杂非合作空间操控导航的问题,提出一种基于单目相机与无扫描三维激光雷达融合的非合作目标相对位姿估计方法。首先,设计了基于成像几何关系的单目纹理-非扫描距离图像的快速配准与融合方法;之后,在构建目标同步定位与建图（SLAM）贝叶斯滤波模型基础上,提出一种扩展卡尔曼滤波-无损卡尔曼滤波-粒子滤波联合的滤波估计算法,可实现尺度模糊下相对位姿的快速鲁棒估计;其次,针对估计中的尺度模糊问题,提出基于融合图像的全局尺度系数确定方法,将尺度系数估计问题转化为简单线性滤波问题。基于OpenGL生成的2D/3D图像实验表明：所提出的方法具有较优的精度和鲁棒性;相对位置估计误差与尺度估计误差相关,二者近似成线性正比关系。