A six-degree-of-freedom hardware-in-the-loop simulator for small spacecraft

This paper presents a novel six degree of freedom, ground-based experimental testbed, designed for testing new guidance, navigation, and control algorithms for the relative motion of nano-satellites. The development of innovative guidance, navigation and control methodologies is a necessary step in the advance of autonomous spacecraft. The testbed allows for testing these algorithms in a one-g laboratory environment. The system stands out among the existing experimental platforms because all degrees of freedom of motion are controlled via real thrusters, as it would occur on orbit, with no use of simulated dynamics and servo actuators. The hardware and software components of the testbed are detailed in the paper, as is the motion tracking system used to perform its navigation. A Lyapunov-based strategy for closed loop control is used in hardware-in-the loop experiments to successfully demonstrate the full six-degree-of-freedom system׳s capabilities. In particular, the test case shows a two-phase regulation experiment, commanding both position and attitude to reach specified final state vectors.     

Cubature Kalman filtering for relative spacecraft attitude and position estimation

A novel relative spacecraft attitude and position estimation approach based on cubature Kalman filter is derived. The integrated sensor suit comprises the gyro sensors on each spacecraft and a vision-based navigation system on the deputy spacecraft. In the traditional algorithm, an assumption that the chief?s body frame coincides with its Local Vertical Local Horizontal (LVLH) frame is made to construct the line-of-sight observations for convenience. To solve this problem, two relative quaternions that map the chief?s LVLH frame to the deputy and chief body frames are involved. The general relative equations of motion for eccentric orbits are used to describe the positional dynamics. The implementation equations for the cubature Kalman filter are derived. Simulation results indicate that the proposed filter provides more accurate estimates of relative attitude and position over than the extended Kalman filter.     

小行星探测器轨迹优化方法

对小行星探测器轨迹优化方法进行了综述。介绍了直接法中的直接打靶法、直接配点法、伪谱法、微分包含法,以及间接法两种典型的轨迹优化方法,分析了其优缺点,以及在小行星轨迹优化中的应用。介绍了智能优化算法中的遗传算法、模拟退火算法、粒子群算法和多目标进化算法,分析了其相对传统优化方法的优缺点,以及相应的改进方法。     

载人航天器内超声在轨检漏的应用基础研究

载人航天器在轨运行发生泄漏会造成极大的危害,需要及时检测和定位,超声检漏设备是一种便捷有效的在轨检漏方案。文章分析了航天器泄漏产生超声波的原理并计算了对应的中心频率,分析了声压衰减原理并计算了衰减范围,通过试验得到4种漏孔的拟合曲线和方程,针对拟合曲线进行了试验验证。结果表明：在20～500 mm的感知范围内,超声波声压随距离的增大呈一阶指数衰减,并随漏孔直径的增大而增大。本文研究结果可为航天器超声在轨检漏仪的研制和使用提供参考。     

基于模糊评价方法的航天器总装过程产品安全性评估模型研究

航天器在总装阶段发生的质量安全问题将会对航天器研制质量、进度、成本产生重大的影响。为提高航天器产品总装的安全风险控制能力,必须建立总装过程风险识别和安全防护的工程方法,对总装过程重要环节的安全性进行正确评价。通过运用模糊综合评价法与层次分析法构建航天器总装安全性评估模型,在专家打分的基础上,借助多级模糊综合判断和直接打分相接合的方法,分析确定各评价指标的权重,从而计算出关键活动的风险值。     

柔性收集室检漏技术可靠性分析与验证

柔性收集室检漏技术是一种航天器总漏率检测技术,其工作原理是利用柔性材料制成的罩子作为示漏气体的收集容器,以氦质谱检漏技术为基础进行航天器的总漏率检测。文章针对柔性收集室检漏技术中关键环节的可靠性进行了分析研究和试验验证。结果表明:柔性收集室检漏技术可满足航天器总漏率检测任务需要。     

航天器大型舱段柔性对接技术研究

针对航天器大型舱段的自动柔性对接需求,基于并联调姿平台(6SPS)的舱段柔性对接技术开展研究。采用6SPS作为舱段位姿调整装置,在其6个支链上设置力传感器,测量每个支链所受的轴向力。在柔性对接控制中,根据负载质量特性及调姿平台姿态实时解算每个支链上由负载重力引起的轴向力,作为理论力;将实际测得的支链力与该理论力比较,进行力随动控制并调整支链长度,实现力反馈下的柔性对接控制。试验证明了力随动控制能实现根据支链力变化实时调整调姿平台位姿,满足舱段柔性对接的需求。     

月球轨道交会任务的远程导引变轨策略研究

对国内外月球轨道交会远程导引段变轨策略的2~5脉冲变轨方案进行了比较分析,在考虑月球轨道交会飞行任务测控资源有限和航天器所带燃料受限等特点的基础上,确定了我国月球轨道交会远程导引段的变轨策略为4脉冲方案;并介绍了在4脉冲基线轨道方案的基础上,进行标称轨道设计和月面上升窗口初步分析的结果。研究结果可为我国月球轨道交会对接任务提供参考。     

应用旋转矩阵的卫星姿态输出反馈机动控制

针对卫星姿态机动控制问题,提出一种只利用向量测量信息的无角速度反馈的输出反馈控制方法。卫星姿态的指向直接通过旋转矩阵进行描述,而不是先进行参数化过程,避免了由欧拉角、修正的罗德里格参数（MRPs）与四元数等姿态描述方式产生的奇异问题与退绕问题。首先,通过向量测量信息与一组期望姿态向量,引入一个新的姿态指向误差向量,并对其性质进行分析。其次,进一步结合主导滤波器的思想,设计了无需角速度信息的卫星姿态机动控制器,并应用Lyapunov理论,对闭环系统的全局稳定性进行了严格的证明。最后,对所提出的控制算法进行了数值仿真,其结果验证了所设计的输出反馈控制算法的可行性和有效性。