交会航天器姿态指向控制与地面仿真验证研究

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为满足航天事业的发展需求,各种各样的空间任务模式不断涌现,并逐渐受到国内外的广泛关注。本文应用一种空间任务模式——空间抵近,即机动平台与目标形成高速抵近态势,并在此过程中对目标完成观测任务。本文以空间抵近观测为背景,着重研究了平台-目标接近过程中的抵近观测、姿态指向控制等关键问题,为实现空间抵近观测控制分布式实时仿真系统提供了理论基础,并开展了空间抵近观测地面半实物仿真验证研究,具有较高的的工程应用价值。主要研究工作包括:为开展对空间任务的深入研究,从任务总体分析的角度描述了空间抵近观测的基本内涵。首先,分析了空间抵近观测任务的特点,设计了相应的任务场景;然后,基于任务对平台-目标抵近的相对运动进行了分析,建立了相对运动轨道动力学模型、相对运动姿态动力学模型。针对抵近观测过程中的姿态控制问题,对抵近观测标称姿态进行解算,接着对空间抵近观测任务进行姿态确定,然后基于非奇异终端滑模控制方法设计了姿态控制器,并对所设计的姿态控制器进行了仿真验证分析。设计了空间抵近观测控制系统分布式实时仿真方案,基于MATLAB/Simulink平台完成了仿真模型的搭建,提出了分布式实时仿真系统总体设计方案,并对各子系统实现方案进行了设计与分析,设计了仿真流程软件并基于RTLAB制定了仿真方案。针对空间抵近地面仿真系统分析与验证问题,为实现空间抵近观测地面模拟试验,对五轴转台模拟平台姿态进行了位姿分析,建立了数学模型并进行算例仿真验证。接着设计了半实物仿真系统的流程,基于MATLAB/Simulink平台集成半实物仿真系统软件,并依据提出的从单个实物组件接口验证,到各实物逐一接入仿真回路进行仿真的设计流程进行试验验证。仿真结果验证了观测控制系统方案的可行性,数据结构和信号流的正确性以及模型的有效性。本文研究的姿态控制方法和设计的姿态控制器能够有效地完成空间抵近观测任务,为空间抵近观测控制系统分布式实时仿真试验提供了理论基础,具有一定的工程应用价值。基于本文搭建的空间抵近地面仿真系统,可供观测系统进行实时跟踪、识别试验,支持观测系统设计、空间目标识别及姿态控制等技术的研究,极大地降低了空间技术试验成本,缩短了研究周期,为空间技术的仿真验证试验提供了可靠的手段和工具。
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