航天器自主交会对接导航与控制关键技术研究

【摘要】：交会对接是实现航天器在轨维护、空间站物资补给以及航天员互访等太空任务的关键技术，而自主交会对接是航天器交会对接技术的发展趋势。本论文主要从增强GNSS系统的自主完好性，提高复杂条件下GNSS导航和航天器姿态控制精度，增强交会对接轨道控制技术的适应性等方面进行面向航天器自主交会对接任务的导航与控制技术研究。具体完成的研究内容如下： 1．研究了星载GNSS自主完好性增强算法。提出了一种改进的最小二乘残差RAIM算法，该算法引入调整系数，提高了最小二乘残差RAIM算法对故障卫星的检测概率；分析了接收机钟差特性，提出了“滑动窗”结合U-C算法的接收机钟差预测模型，并基于该模型提出了接收机钟差辅助的RAIM算法，该研究提高了导航卫星的故障识别概率。 2．研究了星载GNSS载波相位相对定位中的周跳探测、模糊度固定解搜索、以及导航解估计等方法。提出了大周跳与小周跳相结合的周跳检测融合算法，通过仿真说明这种融合算法在周跳检测与修复的工程应用中是可行的；提出了基于粗糙归整的整周模糊度固定解搜索算法，通过减小整数解搜索空间，提高了求解载波相位整周模糊度的效率；研究了提高导航浮点解精度的方法，包括相位平滑伪距、二次曲线拟合模型，以及基于多普勒的卡尔曼滤波方法，并进行了仿真和给出了分析结果。 3．研究了理想条件下的航天器姿态无超调控制问题。基于全局坐标变换和反步法，提出了一种适用于严格反馈非线性系统的无超调渐近跟踪控制律。在转动惯量已知和外界干扰力矩可观测条件下，该控制律可以实现航天器姿态角对参考信号的无超调渐近跟踪。 4．研究了工程中存在转动惯量时变和干扰不能定量的情况下，航天器姿态的高精度鲁棒控制问题。基于干扰估计与补偿技术，提出了全状态反馈和输出反馈的鲁棒跟踪控制律，推导出跟踪误差的上界与控制律参数之间的关系，以及给出了减小姿态跟踪误差的参数选择方法。 5．研究了航天器自主交会对接中轨道控制问题。基于多智能体旋转一致性理论，提出了航天器分布式轨道控制律，并着重解决了航天器间通信拓扑时变和通信信号延迟这两种情况下的控制律问题。本研究为减少交会对接过程对地面测控系统的依赖程度，提高航天器自主交会能力，进行了有一定意义的理论探索。