基于星间测量的编队卫星防碰撞规避研究

论文摘要

编队卫星技术是现代航天技术发展的一个前沿方向。而编队中卫星之间的碰撞规避问题是一个待解决的重要难题。本文以编队卫星为研究对象,针对编队卫星星间相对运动描述、相对轨道自主确定和防碰撞规避三个方面进行研究,并通过数学仿真对其进行验证。采用Hill方程及其修正方法、轨道根数法和精确模型法对编队卫星进行相对运动的描述,对前两种方法进行了公式推导,并对模型结果产生误差的原因进行分析。对星间的测量方案进行分析比较,提出“无线电+激光”的高精度星间基线组合测量方案。使用EKF和UKF滤波算法进行编队卫星的相对轨道的自主确定,通过仿真进行了算法精度的比较。针对测量序列中存在野值的情况,设计出基于残差正交性的容错滤波器,实现对野值的剔除及在线修正,保证滤波器具有较强的鲁棒性、稳定性和精度。针对仅进行距离测量的系统,使用条件数对系统进行能观测性分析,得出此时系统是不可完全被观测的,其中状态变量y ,y是不可观测的。针对编队构形调整时,激光设备不可用,常规EKF和UKF在达到稳态时将丧失对突变状态跟踪的情况,仅采用无线进行相对距离、多普勒频率和径向速度的测量,使用强跟踪UKF滤波器完成此过程的相对轨道自主确定。采用Hill方程为动力学模型,以滤波得到的相对轨道信息估计值作为反馈量,进行防碰撞的规避研究。针对构型调整和构形失效重组两种发生碰撞可能性最大的工况,采用数学规划的方法,以燃料消耗最小为性能指标,以防止碰撞、动力学模型、发动机推力极限作为约束条件,进行防碰撞规避准则、规避策略和控制方面的研究。特别对无径向推力的情况与全向推力的情况进行了分析比较:无径向推力时也可以完成路径的规划与控制,只是消耗的燃料要多。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 编队卫星计划发展概况
• 1.2.2 编队卫星相对运动描述研究现状
• 1.2.3 编队卫星相对轨道自主确定研究现状
• 1.2.4 编队卫星路径规划研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 编队卫星星间相对运动描述
• 2.1 引言
• 2.2 坐标、转移矩阵及初等变换阵定义
• 2.2.1 坐标系定义
• 2.2.2 转移矩阵
• 2.2.3 初等变换矩阵
• 2.3 相对运动描述
• 2.3.1 Hill方程及其修正法
• 2.3.2 轨道根数法
• 2.3.3 精确模型法
• 2.4 相对运动描述误差分析
• 2.4.1 Hill方程误差分析
• 2.4.2 轨道根数法误差分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 编队卫星相对轨道自主确定
• 3.1 引言
• 3.2 星间测量方案选择
• 3.2.1 无线电测量
• 3.2.2 激光测量
• 3.2.3 红外测量
• 3.2.4 几种测量方案比较与分析
• 3.3 滤波算法
• 3.3.1 扩展卡尔曼滤波算法（EKF）
• 3.3.2 Unscented卡尔曼滤波算法（UKF）
• 3.3.3 相对轨道确定EKF与UKF仿真算法比较
• 3.3.4 容错滤波器设计
• 3.3.5 相对轨道确定系统能观测性分析
• 3.3.6 编队卫星构形调整时相对轨道自主确定
• 3.4 本章小结
• 第4章 编队卫星防碰撞规避研究
• 4.1 引言
• 4.2 编队卫星构形重构时防碰撞规避研究
• 4.2.1 单星环绕编队构形重构路径规划
• 4.2.2 编队卫星整体构形重构协同策略
• 4.2.3 无径向推力编队卫星构形重构路径规划
• 4.3 编队卫星构形失效重组时防碰撞规避研究
• 4.3.1 无备份卫星构形失效重组
• 4.3.2 有备份卫星构形失效重组
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢