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《哈尔滨工业大学》 2007年
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深空探测器自主姿态制导算法研究

仲维国  
【摘要】: 现代深空任务为提高自主性,在传统自主姿态确定与控制之外,提出了姿态制导(Attitude Guidance)的概念,并逐渐在近十年的深空探测器中得到了普遍应用。 本学位论文结合“十五”863计划项目——“深空探测自主技术与仿真演示系统”,研究如何将探测器任务行为决定的姿态系统高级任务指令,转化为控制器的参考姿态运动输入的实现问题,即自主姿态制导算法。重点研究了由定向任务事件驱动的姿态运动的结构化计算方法,以及进一步地在内外部约束条件的作用下给出可行的参考姿态运动的问题,并实现了深空探测自主姿态制导与控制在多系统联合下的数学仿真和独立半物理仿真。 论文的主要研究内容包括: 从事件驱动的思想出发,建立了基于目标矢量的姿态定向结构化算法。针对深空探测中定向任务多、目标运动复杂等特点,构造了一种用于深空姿态制导的相关矢量层次结构,以及适用于星上实施的矢量传播算法。在此基础上,对各种三轴姿态模式的参考姿态运动的计算通用性问题,依据星上导航信息和星历服务,给出了参考姿态运动各阶参数的矢量解析算法。为进一步降低算法耗费,定义了计算周期的多个层次,最终给出实时参考姿态指令,用以实现参考轨迹的姿态跟踪控制。 描述了一种空间化的姿态约束表达方法,并针对稳定定向模式面临的约束问题提出了姿态定向的模式重构算法。研究和总结了深空探测所面临的空间几何约束、以及探测器自身的姿态运动学和动力学约束,并将约束抽象化为几类空间化的表达形式。对于深空探测姿态稳定定向模式中的辅助定向约束和运动学奇点问题,在不破坏主要定向任务的前提下,利用姿态空间规划和刚体矢量运动包线等方法,实现姿态定向模式的调整,并选取几种具有代表性的定向模式做了具体计算及运动学分析。 研究了基于状态空间搜索的复杂约束姿态机动预先规划方法。针对时变空间环境中受多种约束的姿态机动问题,尤其对于深空环境下更加突出的外部空间几何约束问题,从全局规划、容纳动态约束、提高计算效率、优化可行解着手,研究了姿态机动的自主全局规划。在Rodrigues参数空间中描述姿态路径和约束边界,使之转化为三维空间中的点机器人运动规划问题;考虑姿态动力学约束,设计了一种简化的Euler轴转动姿态运动生成律;采用RRT算法,通过随机搜索路径节点,得到可行姿态路径。运用空间路径优化,根据评价机动代价来优化机动过程。 最后,结合“深空探测自主技术与仿真演示系统”,设计了一种深空探测器自主姿态系统方案,搭建了基于MATLAB/Simulink的自主姿态数学仿真演示子系统,实现了深空探测飞行过程的多系统联合仿真及三维可视化演示。利用基于MATLAB/Simulink/dSPACE的半物理实时仿真平台,通过系统分模式控制仿真,验证了姿态参考指令计算方法的实时性。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:V448.223

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