在轨服务飞行器自动寻的段的接近策略分析

在轨服务飞行器在自主式在轨服务系统中发挥重要作用,实现在轨服务飞行器与目标服务对象间的交会是在轨服务任务过程的必要阶段。为优化交会过程自动寻的段的接近策略,对基于Hill方程的双冲量机动策略进行了分析,讨论了在轨服务飞行器的初始轨道参数和机动时间选择对接近过程的影响。运用典型算例,得出两航天器的轨迹、速度和机动消耗在不同坐标系的变化规律,指出了算例中机动消耗随在轨服务飞行器初始参数变化的特点。     

德国轨道任务服务系统发展分析

正"德国轨道任务服务"(DEOS)系统旨在演示验证以半自主方式从地面为地球同步轨道上的非合作卫星提供维护、燃料加注和维修故障(非合作、滚转)服务的过程,以及如何清除非合作卫星和轨道碎片。DEOS是对德国此前开展的轻型机械臂、遥操作等在轨服务技术的首次综合在轨演示验证。该系统不仅具有较高的民用航天价值,同时也开启了通向高轨空间对抗能力的大门。本文从DEOS的总体方案和演示验证方案、关键技术和应用潜力     

高轨非合作目标多视线分布式相对导航方法

针对仅采用单视线难于实现高轨非合作目标的远距离自主相对导航问题,提出基于双空间机器人的多视线分布式相对导航方法。首先,建立基于多视线测量的相对导航模型,并给出空间机器人与非合作目标的相对动力学模型;然后,为降低集中式滤波相对导航的维数,设计分布式滤波的相对导航方法,采用扩展卡尔曼滤波算法实现相对运动估计;最后,建立数学仿真模型,对多视线分布式滤波相对导航算法及可观测性进行仿真校验,仿真结果表明该方法是稳定有效的。     

圆轨道近程自主交会轨道设计

采用线性化CW方程研究了空间飞行器近程自主交会轨道设计问题。结合多冲量滑移算法和工程上对交会时间的要求,提出了快速、指数及慢速滑移轨道的概念,给出了三种轨道的设计方法和实现算法。本方法可以实现接近操作减速以及撤离操作加速的任务要求。通过仿真对接近和撤离等交会操作进行了验证,仿真结果表明设计方法可行,满足交会任务对时间及状态参数变化规律的要求。     

椭圆轨道交会、悬停与绕飞的全状态反馈控制

面向大椭圆轨道航天器交会对接、编队伴飞以及在轨操控等空间应用的需求,对大椭圆轨道上航天器间的相对运动进行了分析与建模,采用幂级数法分别在脉冲推力和常值推力作用两种情况下对系统进行了近似求解。通过对系统解的变换以及对系统状态的重构,给出了大椭圆轨道上的三种交会制导律。脉冲推力作用假设下的脉冲制导类似近圆轨道的Hill制导方法。常值推力作用假设下的全状态反馈制导律则在交会制导、相对悬停和循迹绕飞控制的过程中实现了对相对位置和相对速度的同步控制。通过构造新的系统状态,改进的变系数全状态反馈制导律提高了相对速度的制导精度,降低了相对制导过程中的最大轨控加速度。三种制导律的制导效果通过数学仿真进行了校验和比较,文中给出的方法实现了椭圆轨道上相对交会制导、悬停保持和循迹绕飞控制。     

轨道交会、悬停及绕飞控制的解析解方法

面向航天器交会对接、编队伴飞以及在轨操控等空间应用的需求,分别对近圆、椭圆轨道上航天器间的相对运动进行了分析与建模,在常值推力作用假设下进行了相对运动的解析求解。采用模型预测的方法获得航天器相对位置和相对速度的预期偏差。通过广义逆变换构造关于预期偏差的最小范数、最小二乘全状态反馈控制器。提出了一种普遍适用于近圆、椭圆轨道,可以实现轨道交会、相对悬停保持和循迹绕飞,对相对位置和相对速度进行同步控制的高精度、高稳定度相对制导律。仿真结果校验了方法的可行性和有效性。     

远程自主接近轨道设计技术

对完成任务的运载火箭末级、失效卫星等空间非合作目标进行空间操作是复杂的,需要地面测控网与主动航天器的密切合作才能完成抵近及相应操作。以火箭末级残骸作为空间非合作目标,给出了远程自主接近的轨道设计方法。通过地面遥控上传的目标轨道参数,主动航天器进行自主异面机动、主动调相等多次点火,完成对非合作目标的远程接近,接近距离在50km之内,2016年6月底远征一号甲上面级的成功飞行验证了该方法和设计结果的有效性。     

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。     

共面快速受控绕飞轨迹设计与控制

绕飞运动在航天器在轨服务与在轨支援、辅助航天员舱外活动、航天器编队飞行、空间交会对接等空间活动中具有重要应用。分析了快速受控绕飞的可行性和主要过程，建立了适用于目标航天器运行在圆轨道上的共面快速绕飞和进入绕飞与退出绕飞的轨迹设计模型，采用多速度脉冲控制方法和等角度，等时间控制方式对绕飞轨迹进行控制。仿真计算结果表明所提出的快速受控绕飞轨迹设计模型和控制方法可以实现对圆轨道目标航天器的共面快速受控绕飞。     

近地星座异面遍历交会轨道全局优化

根据J 2摄动对轨道面的长期影响规律,提出了一种在近地低轨道星座卫星之间进行异面轨道交会的解析近似方法,并用于建立多星多约束遍历交会的混合整数规划模型,能够快速获得多星交会次序、交会时刻的最优解。仿真算例表明提出的方法适用于在轨服务、构型重建等类型任务的快速优化,计算速度和燃料消耗优于以往类似算法。     

航天器非合作目标相对导航的联邦滤波算法研究

提出了一种适用于空间机器人在轨对非合作目标进行测量的“激光测距仪+可见光 测角相机”组合的联邦卡尔曼滤波相对导航算法。分析了激光测距仪和可见光相机进行非合 作目标测量时存在的问题,为此设计了一套包括分别基于测角信息和测距信息的子滤波器, 以及进行子滤波器数据融合的主滤波器在内的联邦卡尔曼滤波器,并提出了具体的判据来对 子滤波器进行“条件重置”。仿真实验数据表明该联邦卡尔曼滤波器能够在部分目标测量设 备的输出出现暂时故障情况下输出较为平稳的相对导航数据,并且滤波算法具有较好的容错 性。
     

Pose measurement of large non-cooperative satellite based on collaborative cameras

In recent years some communications satellites lost their ability due to the failure of mechanisms to deploy, which resulted in large cost. A space robotic system is expected to perform the on-orbit repairing mission. This is a tremendous challenge since the targets are generally non-cooperative, i.e. no facilities used for relative state measurement are mounted on the targets. Moreover these targets are very large. Limited by the FOV (field of view), a monocular camera cannot supply enough information of the targets in close range. In this paper, a method based on two collaborative cameras is proposed to determine the pose (position and orientation) of a large non-cooperative target. Firstly, we designed a sensing system used for the non-cooperative measurement, according to the investigation of the characteristics of communications satellites. A rectangular feature, which is common in the configuration of a satellite, is chosen as the recognized object. Secondly, we proposed that two cameras share the recognition task in a collaborative behavior, i.e. each provides partial image of the rectangle, and the full feature is then obtained by fusing their information. Lastly, the corresponding algorithm of image processing and pose measurement is addressed. Simulation results of typical cases verify the proposed approach.     

基于飞轮控制的空间机器人质量参数辨识

针对空间机器人进行在轨辨识时存在精度不高、燃料消耗较大等问题,提出了基于飞轮控制的在轨辨识方法,可以有效地解决辨识时存在的问题。该方法采用飞轮控制作为激励方式,通过改变机械臂的构型使整个空间机器人系统的质量分布发生变化,分别测量构型改变后的角速度和线加速度,以计算出基座本体的质量、质心和转动惯量。此外,分析了机械臂与本体的质量比对辨识精度的影响。仿真结果表明,本文的方法可操作性强、精度较高,燃料消耗较小,可以应用于空间机器人的在轨辨识中。     

空间光电跟踪系统闭环全物理仿真试验技术

为验证空间光电跟踪系统与卫星平台耦合作用下的跟踪性能,提出空间光电跟踪系统全物理仿真试验方法。利用三轴气浮台模拟卫星零重力下的自由转动,在地面实现了非合作目标闭环跟踪控制和空间动力学特性的综合模拟。采用基于整星姿态动力学的重力干扰力矩辨识方法,消除转动部件重力干扰对试验的影响,实现对系统跟踪脱靶量的精确评估。试验结果表明,空间光电跟踪系统针对非合作目标的跟踪脱靶量优于0.006°（3σ）,满足系统在轨应用需求。但在对高速目标跟踪过程中,跟踪脱靶量存在一定的相位滞后,控制方案需进一步优化。     

空间细胞机器人系统关键技术及其应用

针对传统空间操控装置难以适应未来大型空间设施在轨建设的问题,提出一种能够实现多层次自重构的空间细胞机器人系统,并对其概念体系以及设计理念进行了分析。介绍了空间三角桁架装配场景下的空间细胞机器人系统硬件设计。提出了空间细胞机器人系统关键技术,包括多智能体协同不确定行为规划、多层次机器人系统构型决策、多智能体协同无环境地图自主导航以及多智能体分层协同分布式控制等。最后结合空间细胞机器人系统的特点与优势,对其应用前景进行了展望。     

非合作大目标位姿测量的线结构光视觉方法

空间机器人与非合作大目标交会接近最终段,单目相机不能获取完整的特征图像而无法完成相对位姿测量。针对此问题,提出基于线结构光和单目视觉的相对位姿测量方法。以非合作大目标上的局部矩形特征为测量对象,首先,建立相对位姿测量模型并给出四个测量坐标系之间的关系;其次,通过相机对不完整矩形和线结构光的约束获得四个特征点在相机坐标系下的坐标;然后,利用四个特征点计算相机坐标系与目标坐标系之间的转移矩阵;最后,将转移矩阵分解得到矩形特征的相对位姿。通过改变影响测量精度的输入误差和标定误差等因素对该方法进行仿真验证,结果表明该测量方法是有效的。     

面对接近式威胁的在轨飞行器安全性分析方法

提出了一种针对非合作接近威胁飞行器的安全性分析方法,具备对多脉冲接近的威胁飞行器进行安全性分析的能力,所得结果可对自主规避决策提供支撑。文中给出了安全性分析流程,从能量约束等角度出发,选取脉冲冲量、交会时间以及最小相对距离三种参数作为安全性分析指标;随后对指标标准化,建立了多指标加权综合评价与决策模型。仿真结果表明,在本文模型下,非合作主动接近飞行器施加多脉冲机动变轨对目标器进行接近,其每次脉冲均会在安全性评价值中得到体现,算法可对脉冲真实意图进行准确判断。本文提出的安全性分析方法可推动空间复杂环境下卫星面对各种主动威胁时的安全性分析研究,对未来卫星防护体系及相关技术的研究具有一定参考意义。     

Strategy for capturing of a tumbling space debris

In general space debris objects do not possess much convenient features and are non-cooperative. In such cases, since the conditions for capture are not favorable, tracking errors will lead to loading, and momentum transfer will occur during the capture process.In most cases, detailed mass and inertial characteristics of the target are unknown, either because design details are unavailable or due to changes as a result of damage sustained when failure occurred or gradual degradation over the years, and this makes impedance matching of the capture arm force control system difficult.This led to us to devise a “joint virtual depth control” algorithm for robot arm control, which brakes the rotation of a target with unknown inertia. This paper deals with a removal work strategy and control method for capturing and braking a tumbling, non-cooperative target space debris.We propose a new brush type contactor as end-effecter of a robot arm for reducing the rotational rate of the target debris. As a means for relieving the loads generated during target tapping, in addition to joint compliance control we propose a new control method that controls the arm tip force according to a contact force profile.