基于超分辨率重构的航天器位置姿态测量方法

航天器间相对位置和姿态的确定是实现航天器编队飞行的重要基础.为了解决航天器相对位置姿态的远距离测量精度问题,该文提出了基于超分辨率重构技术的测量方法.介绍了由单帧图像求解相对位置姿态的测量原理,研究了图像传感器退化成像模型和基于该模型下的图像配准算法,给出了超分辨率图像重构算法及其算法流程.利用地面试验原型系统的实际测量数据对算法进行了验证,试验结果表明该方法大大提高了高精度测量距离的范围,有效解决了航天器间相对位置姿态的远距离测量精度及稳定性问题.     

基于对偶四元数的交会对接相对位姿测量算法

为了提高交会对接近距离段的相对位置姿态测量的实时性和准确性,提出了利用对偶四元数方法求解交会对接近距离段的相对位姿.该方法可以整体考虑追踪航天器坐标系和目标航天器坐标系间的相对旋转和平移,保持了刚体运动的完整性,克服了传统方法的缺陷.数值仿真验证了该方法的有效性.     

基于中心差分卡尔曼滤波的航天器视觉相对导航算法研究

在航天器视觉相对导航过程中,量测方程的非线性特性会影响航天器相对位姿的估计精度.分析了扩展卡尔曼滤波方法(EKF)将非线性模型线性化时存在的缺点,研究了中心差分卡尔曼滤波方法(CDKF),提出用中心差分卡尔曼滤波方法来解决视觉导航中两航天器的相对位姿估计问题,并给出了EKF与CDKF的仿真结果.仿真结果表明在相同条件下,CD-KF算法比EKF具有更高的精度和稳定性,该方法能够在航天器视觉相对导航中应用.     

非合作航天器间相对位姿的单目视觉确定算法

针对非合作航天器接近操作过程中200m以内的相对位姿参数确定问题，该文充分利用目标航天器已知的结构模型信息，推导了利用单个光学相机实现非合作航天器相对位姿参数测量的迭代算法。与传统的交会对接视觉系统不同，该视觉系统不需要在目标航天器上安装光学特征，而是充分利用了目标航天器的自身结构特征，因此更适用于一般航天器间的相对位姿参数测量。为解决相对位姿单目视觉确定的非线性问题，该文选择了求解非线性问题性能优良的Levenberg—Marquardt算法。最后对该文算法进行数学仿真，仿真结果表明算法的有效性和可靠性，适合航天器在轨实时应用。     

相对姿态运动学和动力学方程及其在航天器姿态状态跟踪控制问题中的应用

论文第一次系统地研究并给出了适用于多种姿态参数的相对姿态运动学方程和相对动力学方程,所得结果为发展虚拟平台、相对导航和编队飞行提供了理论基础.论文中还给出了相对姿态运动学方程和相对动力学方程在航天器大角度机动控制问题中的应用,及相应的渐进稳定非线性姿态控制器设计.与其他文献仅用位置反馈来实现姿态机动的跟踪问题相比,本文用状态反馈,不仅实现了姿态机动跟踪控制,还得到了满意的跟踪过程动态品质.这对实现分布卫星具有平稳跟踪品质的相对指向控制,具有重要意义.     

卫星编队飞行相对姿态控制

卫星编队飞行在轨执行任务时,除了对相对位置有特定要求外,还需根据不同任务需求保持一定的相对姿态,为此研究了两颗卫星相对姿态的保持控制。根据刚体运动学推导了两个星体坐标系之间的坐标转换矩阵,给出了从星始终指向主星所需的目标姿态和角速度。基于卫星姿态动力学给出了3个相互垂直安装的反作用轮的控制律,并利用Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统的渐近稳定性。最后通过数值仿真验证了控制算法的正确性,其相对误差小于10-6。     

基于GPS和陀螺的航天器相对状态自主确定

根据GPS和陀螺的不同特点,将两者结合起来,设计了一种基于GPS和陀螺的相对状态自主确定算法.采用修正罗德里格参数(MRPs)作为姿态描述参数,通过建立相对轨道和相对姿态运动方程以及GPS和陀螺观测方程,运用unscented卡尔曼滤波方法(UKF)设计了双星编队相对状态自主确定算法,仿真结果验证了方法的可行性和有效性.     

基于陀螺星光加激光交会雷达的相对姿态确定

针对编队飞行中从飞行器与主飞行器的相对姿态确定问题,提出了基于扩展卡尔曼滤波(EKF)的相对姿态确定方法. 采用修正罗德里格参数(MRPs)作为姿态描述参数避免奇异点. 姿态敏感器采用陀螺 星敏感器 激光交会雷达的配置模式,并且结合相对姿态动力学方程得到相对姿态确定的状态方程,建立起相对姿态确定的EKF模型. 仿真实例表明,EKF状态能在最慢300 s内收敛,MRPs的估计误差在10-5范围以内,该方法正确有效.     

相对姿态运动学和动力学方程的另外形式

这篇论文系统地给出了相对姿态运动学和动力学方程的另外形式,是前篇文章的补充,其结果的表达也更加简洁。这些方程可方便地用来描述编队飞行和虚拟平台相对导航中的运动学和动力学关系,也可以用来实现大姿态获取和跟踪时的非线性全状态反馈控制或非线性输出反馈控制。论文最后给出了基于该方程在全状态反馈控制应用中的数值仿真结果。     

PMLSM控制系统的仿真研究

根据永磁直线同步电机数学模型理论,利用Matlab/Simulink软件搭建PMLSM的模型,并进行了基于传感器矢量控制的仿真和基于MRAS无位置传感器矢量控制的仿真。仿真结果表明,基于MRAS无位置传感器矢量控制系统解决了由传感器带来的问题,但其估计精度和动态性能相对基于传感器矢量控制的仿真有所下降。     

针对射频相对测量敏感器的快速标定方法

在卫星编队飞行系统中,射频（radio frequency,RF）相对测量敏感器能够完成两颗卫星的相对位置和姿态的测量,为了验证其测量精度,提出了一种基于激光跟踪仪的快速标定方法.在标定过程中,针对拟合坐标原点和坐标轴产生误差较大的问题,提出了一种基于最小二乘拟合球体和圆的方法,分别确定坐标系的原点和坐标轴;利用坐标系间的固有关系设计了相对坐标系的快速转换方法.在飞行器模拟平台进行验证,实验结果表明,拟合坐标系原点均方根误差为0.120 764 mm,拟合坐标轴轴向的均方根误差为0.157 138 mm,坐标系转换误差的范围为0.30~0.75 mm,能够满足敏感器毫米级定位精度的标定要求.      

卫星编队飞行的轨道和姿态GPS自主同步反馈控制

鉴于编队飞行之中卫星不但对轨道有要求,而且对姿态也有要求,例如有的编队飞行卫星在惯性空间中有指向控制的要求,或者相互之间有保持一定的姿态关系的要求,同时在轨道控制过程中也需要姿态信息,因此在编队飞行的建立过程中,需要考虑姿态和轨道的协调控制和同步控制问题.本文提出了用汗同步控制的相对轨道和相对姿态运动学和动力学模型、控制率的选择和设计以及用GPS的伪距和载波相位实现轨道和姿态同步实时反馈控制方法.其中包括用修改的Kodrigues参数实现无奇异的大姿态机动的非线性状态跟踪控制.对EO-1/Landsat 7编队飞行的同步控制进行了数字仿真,证实了设计的正确性和实现的可行性.     

基于简化差分插值滤波的编队卫星相对导航

将一种基于Stirling内插公式的非线性差分插值滤波(Divided Difference Filter-DDF)算法的简化形式(Simplified Divided Difference Filter-SDDF)应用到编队卫星相对导航中.该算法通过对非线性系统方程进行多项式展开并取有限差分插值项进行近似.数值仿真结果表明:该算法相对于EKF(Extended Kalman Filter)算法有明显的优势,有较高的滤波精度、更快的收敛速度和较好的稳定性,其中相对位置估计相比EKF提高79%、相对速度提高52%,对编队卫星相对导航具有一定应用价值.     

基于EKF的航天器相对定姿算法研究

航天器交会对接是载人航天工程的一项关键技术,而航天器相对定姿又是在交会对接中首要解决的关键问题。通常用交会对接航天器体坐标系间各对应坐标间的夹角来表示相对姿态,这样相对定姿的任务就是要确定两交会对接航天器体坐标系间的旋转矩阵。采用无相对测量的航天器相对定姿态方法,基于围绕系统最优估计状态线性化的扩展卡尔曼滤波(EKF)滤波技术,以乘性误差四元数为状态量,设计了陀螺仪/星敏感组合的航天器相对定姿算法,并进行数字仿真验证该算法的可行性。仿真表明乘性误差四元数有效解决了协方差阵为零的问题,EKF技术大大提高了滤波精度。所设计的算法为航天器的相对定姿提供了一定的理论依据。