基于对偶四元数的编队微小卫星相对位、姿测控研究

本项目是针对微小卫星编队飞行，探寻微小卫星相对位、姿测控的全新技术。本项目在国内外首次以对偶四元数为数学工具，将姿态动力学中所涉及到角速度和速度、力和力矩以及动量和动量矩用三个对偶四元数将其统一起来，使得力学模型变得简洁，达到减小卫星编队控制系统复杂度目的。此外，通过使用对偶四元数建立了不同卫星坐标系与惯性坐标系之间的坐标变换关系，进一步将姿态与轨道信息统一处理，可优化系统模型，明显减少计算量。在建立编队卫星力学模型的基础上，将深入研究三种基于对偶四元数的轨道和姿态确定算法，并进一步研究探索轨道和姿态耦合控制律和设计相应的控制器，同时，在理论研究的基础上进行仿真实验来验证本项目的理论研究成果。本项目的成功研究不仅可充分挖掘小卫星有限的星载资源，而且可为相关领域（空间站位姿测控、机器人测控和视觉导航）提供理论和技术支持，具有重要的科学意义和实际应用价值。

小卫星编队飞行是一个航天技术中的新兴领域，它以其性价比的独特优势与更高的可靠性和适应性、而受到各国航天技术研发机构与科究人士的青睐。. 本项目深入研究了微小卫星编队飞行这一当今航天技术中前沿课题，其核心内容是针对作为群飞行的微小卫星之间的位置/姿态进行新颖深刻的模型刻划与工程测量，同时，为保证编队小卫星群的稳定飞行，尽最大努力研究了在新的数学工具下卫星轨道/姿态耦合控制(Coupled Control) 的全新方法。. 为探寻微小卫星编队飞时的相对位/姿测控的全新理论描述与测控技术，本项目在国内外首次以对偶四元数这一古老而又全新的几何代数作为数学工具，将姿态动力学中所涉及到的角速度和速度，角速度和力，角速度和加速度用三个对偶四元数将其统一起来，使得运动方程变得更具简洁科学美，以求减小卫星编队控制系统复杂度目的。同时，通过使用对偶四元数建立了不同卫星坐标系与惯性坐标系之间的关系，进一步将姿态与轨道信息统一处理，可优化系统模型，明显减少计算量。在建立编队卫星力学模型的基础上，将深入研究基于对偶四元数的轨道和姿态确定算法，并进一步研究探索轨道和姿态耦合控制方法，. 将信息一致性理论应用至微小卫星编队控制问题中，首先针对相对位置控制，提出一种一致性协同控制方法，适用于空间交会对接及队形引导等编队问题；其次针对卫星姿态同步及姿态跟踪问题，给出了信息一致性的解决方案，适合于编队卫星自主协同任务作业等方面；.将对偶四元数应用至编队飞行问题。对偶四元数作为一种新的数学工具已经在机械及视觉领域发挥着作用，它具有能将姿态与位置进行统一描述的能力，非常适合卫星编队飞行这种对于轨道及姿态都有要求的应用领域，本文根据对偶四元数建立了卫星运动学模型，并给出了更新方法，最后开创性地将其与信息一致性理论进行结合，成功应用至编队飞行的控制问题，实现了编队卫星相对运动及姿态的协同控制。. 设计了一套编队卫星半物理仿真平台，采用多台PC104系统模拟多个编队卫星。该系统可以用来开发卫星管理软件以及验证编队控制算法效果，其地面终端及系统间的通信网络可以用来验证信息一致性算法。. 本项目“基于对偶四元数的编队微小卫星相对位，姿测控研究”不仅具有重要的科学意义和实际应用，而且可为相关领域（机器人学，空间站对接及视觉导航）提供理论和技术支持。