编队飞行卫星相对姿态变结构分布式协同控制

以编队卫星激光通信为背景,在已知主从星之间的相对位置和姿态的情况下,提出了一种卫星编队完全分布式协同控制策略,设计了一种分布式相对姿态变结构协同控制律,并利用Lyapunov稳定性原理证明了该控制律能够保证编队的全局渐进稳定。仿真结果表明,在编队卫星受到各种干扰力矩影响时,该方法能够有效提高编队卫星相对姿态控制精度,从而实现编队卫星之间的姿态协同,证明了所设计控制器的有效性。

相对姿态匹配传递对准方法

传统的姿态匹配传递对准需要主、子惯性测量单元(inertial measurement unit,IMU)分别惯导解算,得到两个姿态向量或姿态阵构造观测量。提出利用主、子IMU输出直接解算主、子IMU之间的相对姿态来构造匹配量的一种新的传递对准方法。首先推导了主、子相对姿态矩阵微分方程,并给出求解方法,得到的相对姿态矩阵计算值与初始相对姿态矩阵相乘作为观测信息;然后推导建立了相对姿态的误差方程,由此给出了传递对准状态空间模型;最后讨论建立了仿真验证环境,仿真结果表明,子陀螺精度为1(°)/h时,子IMU对准精度可以达到3′以内,并在10s内迅速收敛。该方法同时适用于精确确定大角度或小角度的子IMU相对姿态,为关键位置实时高精度姿态基准的建立提供了技术参考。

编队小卫星相对位置和相对姿态解算模型与精度分析

介绍了编队小卫星无线电相对位置姿态的测量方法,分别采用点估计法和随机滤波法建立了相对位置和相对姿态解算的数学模型,通过仿真给出了两种求取相对位置和相对姿态算法的解算精度。仿真表明,综合使用两种解算方法,可以提高相对位置和相对姿态的测量精度。

基于分布式IMU的相对姿态估计方法

机载关键位置间相对姿态获取受机体挠曲影响显著。提出一种基于分布式惯性测量单元(IMU)的相对姿态估计方法。首先给出了IMU间相对姿态矩阵微分方程,计算节点间相对姿态,然后对局部区域挠曲形状拟合。利用相对姿态计算值和拟合值构造量测量,结合相对姿态误差方程,通过Kalman滤波器估计相对姿态误差。仿真结果表明,各节点用1°/h陀螺时,相对姿态估计精度优于8'。该方法可为机载关键位置相对姿态精确获取提供技术参考,尤其当系统无高精度惯导且变形统计特性未知时。

非合作航天器相对姿态确定算法及地面试验

针对具有矩形结构的非合作航天器,采用坐标转换矩阵的姿态描述方法,推导了简单通用的单目视觉相对姿态确定算法.为验证相对姿态确定算法,基于MATLAB设计图像采集处理系统,采用STK设计目标模拟器,进而搭建了地面试验系统,并开展了非合作航天器轨道面内和轨道面外绕飞试验.试验结果表明相对姿态确定算法能够准确地获得非合作航天器的相对姿态变化.

飞行器相对姿态运动的静力学、运动学和动力学方法

文章系统地研究了飞行器相对姿态运动描述问题 ,提出了求解相对姿态运动的静力学方法、运动学方法和动力学方法 ,特别是在动力学方法中 ,提出了飞行器相对姿态运动的角加速度合成定理。所得结果可作为飞行器相对姿态运动的分析和数值仿真的理论基础 。

编队InSAR相对姿态控制

编队InSAR要求较高的相对姿态指向精度和地面观测重合度。根据相对姿态控制要求,提出了编队InSAR相对姿态计算的方法,从而确定从星的期望姿态。在此基础上,设计了两种非全状态反馈控制器及相应的角速度滤波器:半状态反馈控制器和角速度滤波器,输出反馈控制器和滤波器,进行相对姿态控制。数值仿真结果表明两种方法均可满足编队InSAR相对姿态控制要求。

编队飞行小卫星相对姿态控制研究

以四元数作为定位参数对编队飞行小卫星进行相对姿态控制。首先给出了以误差四元数作为反馈量 ,基于参考卫星的相对姿态控制律 ,其次 ,研究了由若干颗相同卫星组成的编队卫星 ,在卫星姿态达到指定的方位时 ,相互之间也要满足一定要求的相对姿态控制律。最后进行了仿真计算 。

基于单目视觉的空间非合作目标相对姿态估计方法

提出一种基于单目视觉的连续多帧空间非合作目标姿态估计算法.根据目标主体主轴方向和太阳能帆板方向将目标姿态切分成姿态子空间,采用方向Chamfer匹配在姿态子空间中搜寻与目标匹配的候选姿态.通过连续多帧候选姿态的方向Chamfer匹配代价和转移代价来构建轨迹的总代价,采用动态规划对轨迹代价进行优化.结果表明该算法求解精度高,鲁棒性好.

大气阻力摄动下的绳系辅助离轨系统的相对姿态跟踪控制研究

以绳系辅助离轨系统为背景,考虑到大气阻力摄动和子星——返回舱的非质点因素,返回舱与绳系辅助离轨系统的相对姿态将产生大幅周期性变化,这将影响或破坏系统的稳定性;同时三自由度下绳系系统的展开控制和绳系系统横向振动抑制控制也对返回舱姿态的稳定性和精度提出了更高的要求。基于此,本文建立了大气阻力摄动下的绳系系统的展开动力学和返回舱姿态动力学模型;并在此基础上,设计了绳系辅助离轨系统的相对姿态跟踪控制策略。通过数学仿真来验证大气阻力摄动下该姿态跟踪控制算法的有效性,结果表明,该控制律能够有效控制绳系辅助离轨系统的相对姿态,满足展开控制的需要。

与非合作目标编队的相对姿态控制

针对非合作目标卫星编队飞行过程中,根据任务需要受控卫星保持指目标卫星。为了跟踪目标姿态,提出了一种相对姿态控制方法。该算法只需测量目标的相对位置,通过计算得到目标姿态。然后设计了相对角速度观测器,得到相对角速度,通过跟踪控制器实现无误差姿态跟踪。完整相对姿态控制任务包括姿态机动和姿态跟踪两部分,因此设计了混合控制器实现被控星的姿态机动和对目标姿态的动态跟踪。数值仿真结果表明该方法可以实现对运动目标的无差快速跟踪。

卫星编队飞行的相对姿态控制

使用基于李亚普诺夫的控制方法,研究了双星编队飞行系统的相对姿态控制问题.考虑角速度可测和角速度信息不可测量两种情况,进行了状态反馈和输出反馈的姿态控制算法的设计,并通过李亚普诺夫方法证明了编队飞行系统全局渐近稳定性.最后对给出的算法进行了数值仿真.结果表明,所设计的控制算法实现了编队卫星之间的姿态协同控制,是可行的、有效的.

基于角速度观测器的卫星编队飞行相对姿态控制技术

建立了卫星编队飞行的相对姿态动力学和运动学模型。利用积分反步法,设计了能够保证控制系统稳定性的控制器和角速度观测器,使得卫星编队飞行控制系统在不安装星载角速度测量设备的情况下仍能保持对理想相对姿态的跟踪,利用Lyapunov稳定性理论证明了系统的指数稳定性。

基于估计参数的飞行器编队飞行相对姿态控制

本文建立了空间飞行器编队飞行的相对姿态动力学模型,用姿态四元数表示的动力学模型避免了大角度相对姿态变化时的奇异问题.利用Lyapunov理论控制方法,设计了带神经网络参数估计器的自校正控制器,减轻了编队飞行器的测量和通信负担.证明了控制器对模型误差具有较好的鲁棒性.仿真结果验证了参数估计器可以准确的估计未知参数;基于估计参数的控制器可以实现相对姿态的较精确控制.

相对位置和相对姿态耦合的编队控制

考虑卫星编队中从主星的相对位置与相对姿态耦合,对采用输出反馈跟踪控制进行了研究。根据双星编队的控制结构,以及在从星体坐标系中建立的统一形式的相对位置与相对姿态耦合的误差模型,在无速度与无角速度测量条件下,设计了改进的速度(角速度)滤波器,并给出了输出反馈跟踪控制器模型。仿真结果表明:该法可实现相对位置与相对姿态耦合时卫星编队的输出反馈跟踪控制。

星间链路天线相对姿态的地面模拟

星间链路天线的相对姿态模拟为星间链路的测试验证提供近真实的动态姿态环境,是星间链路系统地面测试的重要组成部分。建立多个坐标系统将两颗卫星天线的位置和姿态联系起来,利用卫星星历将天线的相对姿态表示为一颗卫星天线在另一颗卫星天线坐标系中的方向向量,利用两个二轴转台实现此方向向量,最终通过控制转台的转角模拟卫星天线的相对姿态变化。同时计算天线波束的方向,分析了两颗卫星的可见性。天线相对姿态的模拟为星间链路的建立和保持提供动态测试环境。

基于相对视线矢量测量的多航天器编队相对姿态求解方法

航天器相对姿态求解是编队控制和保持的前提条件,针对远距离编队相对姿态求解问题,提出了一种基于相对视线矢量测量的多航天器编队相对姿态确定方案.考虑编队由3个航天器组成,每个航天器装备视觉传感器,可以测量到相对其余两个航天器的相对视线矢量,基于视觉传感器测量模型,推导了确定性姿态求解方法,并进行了数学仿真研究.仿真结果表明,多航天器编队相对姿态求解方法可以有效估计出航天器间的相对姿态,估计精度较高,能够满足航天器编队控制需求,解决了远距离编队情况下视觉传感器应用的局限性.

基于立体视觉的相对姿态确定算法可观性分析

针对基于立体视觉的相对姿态确定算法无法正确估计出陀螺误差这一问题,分析了该算法中各个状态的可观性。首先,根据相对姿态误差方程和立体视觉测量方程建立滤波器模型。其次通过选取不同变量作为误差方程的状态,确定了系统中的不可观子空间。进而对系统的结构分解揭示出,该相对姿态确定算法仅能估计出主从星之间的相对姿态和其陀螺误差的线性组合这一结论。从系统结构分解的分析中还可以看出,当立体视觉系统测得的特征点大于两个以上时,增加特征点个数对提高陀螺误差的可观测性是没有帮助的。最终的仿真结果证明了论述的正确性。

迭代扩展卡尔曼滤波在相对姿态估计中的应用

在航天器相对姿态测量过程中,由于基于单帧图像的相对姿态测量方法受噪声影响比较大,相对距离较远时,测量的稳定性较差,因此提出采用迭代扩展卡尔曼滤波进行相对姿态估计的方法。首先对卡尔曼滤波进行概述,然后建立基于迭代扩展卡尔曼滤波的航天器间的3D位置和姿态估计系统模型及观测模型,确定系统及测量噪声模型,给出运用卡尔曼滤波方法解决姿态估计问题的具体方法及详细过程,最后通过仿真数据和实测数据对该方法的正确性、可行性进行了验证。

一种基于目标特征的航天器间相对姿态测量方法

提出了一种基于目标特征的航天器间相对位置和相对姿态单目视觉测量方法.该方法利用目标特征点在物体坐标系中的空间坐标及其在像平面上成像点的图像坐标,根据透视成像理论,采用针孔模型解算出目标航天器与图像传感器的相对状态.提出了一种新的目标靶特征点构型设计方法,该方法适用于较大偏转姿态角的应用环境.仿真结果表明:新的特征点构型适应性好,能提高测量方法精度.该测量方法可直接用于航天器编队飞行及空间站交会对接过程中的相对姿态测量.