基于能觀能控理論的航天器自主導(dǎo)航與控制方法研究.pdf

1、自主導(dǎo)航與控制是航天技術(shù)領(lǐng)域的重要研究課題。隨著航天科技的發(fā)展，航天器需要完成的任務(wù)更加復(fù)雜，對(duì)導(dǎo)航方式與控制器的選擇提出了更高的要求，加之航天器系統(tǒng)本身具有較強(qiáng)的非線性，對(duì)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)。為此，本學(xué)位論文基于非線性系統(tǒng)的能觀性與能控性理論，對(duì)航天器自主導(dǎo)航系統(tǒng)的量測(cè)方案選擇與性能分析以及小推力控制方法進(jìn)行深入的研究，以期為未來(lái)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展提供理論依據(jù)。論文的主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：
　　研究了自主導(dǎo)

2、航系統(tǒng)的能觀性分析方法。首先基于線性系統(tǒng)能觀性魯棒性的研究，建立了基于線性化的非線性系統(tǒng)局部能觀性判據(jù)，利用該判據(jù)分析了基于視線矢量測(cè)量的自主導(dǎo)航系統(tǒng)能觀性，并以飛越小天體自主導(dǎo)航為例進(jìn)行仿真驗(yàn)證。其次通過(guò)系統(tǒng)微分方程本身的處理和推導(dǎo)，建立系統(tǒng)輸出與初始狀態(tài)之間的映射關(guān)系，借助于反函數(shù)定理給出一個(gè)利用矩陣的秩描述的局部能觀性判據(jù)。進(jìn)一步考慮中心引力場(chǎng)下運(yùn)行的航天器與參考星，將所得能觀性結(jié)論應(yīng)用于自主導(dǎo)航系統(tǒng)的量測(cè)方案選擇問(wèn)題，并結(jié)合仿真

3、算例進(jìn)行分析和驗(yàn)證。
　　研究了能觀性度量與自主導(dǎo)航性能評(píng)價(jià)方法。首先針對(duì)確定性非線性系統(tǒng)，給出了基于條件數(shù)的能觀性度量方法，將其用于圓型限制性三體系統(tǒng)，按參考軌跡給出航天器各位置分量對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的能觀度。其次針對(duì)隨機(jī)非線性系統(tǒng)，論證了FIM(Fisher Information Matrix)與能觀性之間的關(guān)系，進(jìn)而利用FIM的跡定義系統(tǒng)的能觀度，并將其用于視線測(cè)量自主導(dǎo)航系統(tǒng)的能觀度分析。然后利用FIM與狀態(tài)估計(jì)精度之間的關(guān)系嚴(yán)

4、格推導(dǎo)了最優(yōu)狀態(tài)估計(jì)誤差方差陣的傳播規(guī)律，將其作為衡量自主導(dǎo)航算法性能的指標(biāo)，為實(shí)際導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析提供理論依據(jù)。
　　以橢圓軌道轉(zhuǎn)移問(wèn)題為背景，研究了基于能控性分析的小推力控制方法。鑒于在笛卡爾坐標(biāo)系下和利用軌道根數(shù)描述的小推力控制系統(tǒng)均為仿射非線性系統(tǒng)，本文基于微分幾何理論研究了仿射非線性系統(tǒng)的能控性，發(fā)展了基于漂移向量場(chǎng)弱Poisson穩(wěn)定的能控性判據(jù)，并利用相關(guān)結(jié)果論證了小推力控制系統(tǒng)的能控性，進(jìn)而提出了基于阻尼反饋的

5、小推力橢圓軌道轉(zhuǎn)移控制方法，將其應(yīng)用于環(huán)繞地球橢圓軌道之間的轉(zhuǎn)移，利用仿真分析驗(yàn)證方法的有效性。
　　設(shè)計(jì)了半物理仿真系統(tǒng)對(duì)自主導(dǎo)航與小推力控制方法的可行性進(jìn)行分析。針對(duì)環(huán)月探測(cè)器，建立了基于光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)、月球圖像模擬器和Matlab/Simulink/dSPACE的自主導(dǎo)航與控制半物理仿真系統(tǒng)，利用光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)和激光高度計(jì)構(gòu)建探測(cè)器到月心的矢量，并利用擴(kuò)展卡爾曼濾波估計(jì)探測(cè)器的位置和速度，進(jìn)一步將自主導(dǎo)航模塊的輸出用于小推力軌道