静止轨道卫星在轨延寿中的自主接近动力学与控制研究

Geostationary satellite lifetime extension technology is to prolong the satellite life time by launching lifetime extension vehicle and docking with the end of life satellite. According to the non-cooperative characteristics of the geostationary satellite at the end of life, the vision-based relative position and attitude measuring method is studied by geometry extracting firstly. Moreover, a relative navigation filter base on joint-measurement is designed to overcome the non-successive relative distance measurement, and then the successive, smooth and integrated navigation data could be provided to ensure the docking precision. After docking the lifetime extension vehicle will be connected with the target satellite..There is some unknown dynamics parameter in this compound spacecraft, therefore, the optimization algorithm will be used to optimize the distribution of the thrusters. Then the coupled attitude-orbit controller will be proposed base on the mixed actuators. This control method could be used to stabilize the 3-axis attitude and maintain orbital position simultaneously. Furthermore, the ground based experimental systems, including rendezvous-docking system and air-bearing attitude control system, will be established according to the researches. These experimental systems will be used to verify the validity of the research results in this project.

静止轨道卫星在轨延寿是指在静止轨道卫星燃料耗尽之后，通过发射延寿飞行器与之对接，并采用辅助控制方式延长其在轨寿命。由于当前寿命末期卫星具有明显的非合作特性，因此本课题首先研究基于目标图像特征提取的相对位姿测量方法，并且针对交会过程的测距非连续性，研究基于联合测量的相对导航滤波算法，以增强相对导航数据的连续性、平稳性与完备性，从而保证延寿飞行器与寿命末期卫星交会对接的控制精度；然后，针对对接后动力学参数未知的复合体控制问题，课题拟采用优化算法对延寿飞行器轨控推力器进行优化布局，随后基于混合执行机构方案设计不同的姿轨耦合控制器，同时实现复合体航天器的三轴姿态与轨道定点保持控制。课题最后构建地面交会仿真试验系统和单轴气浮姿态控制试验系统，通过闭环实验来验证研究结果的合理性和可行性。

静止轨道卫星在轨延寿技术是指在静止轨道卫星燃料耗尽之后，通过发射延寿飞行器与之对接，并采用辅助控制方式延长其在轨寿命。由于当前寿命末期卫星具有明显的非合作特性，因此课题研究了基于目标图像特征提取的相对位姿测量方法，并且针对交会过程的测距非连续性，提出了基于联合测量的相对导航滤波算法，增强了相对导航数据的连续性、平稳性和完备性，保证了延寿飞行器与寿命末期卫星交会对接的控制精度。课题首先建立了基于几何特征提取的非合作目标远/近距离相对测量方法，在超近距离测量条件下，三轴运动中相对误差在0.2mm以内，速度误差在0.3mm/s以内；姿态角转动相对误差在0.2°以内，角速度误差在0.3°/s以内，课题提出的测量方法具有较好的精度，能够满足GEO失效卫星超近距离的相对测量要求；在考虑导航约束的条件下开展了新型导航滤波算法设计，能较好地满足测角与测距的相对导航的精度和数据无效的切换处理，可以作为延寿飞行器在轨飞行期间的相对导航算法设计参考以保证交会对接过程相对运动的控制精度；针对对接后动力学参数未知的复合体控制问题，设计了一种在推力器安装位置固定的情况下，通过安装并驱动万向节以改变喷气方向的方法，并通过相平面控制律，以燃料消耗最少为优化目标，得到复合航天器三轴姿态稳定控制的最优推力器布局，该方法可以提高复合航天器的机动能力与燃料的使用效率；通过二次规划及线性约束方法，同时考虑燃料消耗量等优化目标，对推力进行了冗余分配，并对电机设计了位置环为模糊PID的三环控制，以达到精确位置驱动的目的，结合执行机构以及姿态敏感器多种组合形式下的姿轨控制效能分析，建立起了复合体姿轨一体化耦合控制策略。课题最后建立了地面交会仿真试验系统和单轴气浮姿态控制试验系统，通过闭环实验验证了课题研究结果的合理性和可行性。课题的研究成果可以在航天器动力学与控制方面，为发展静止轨道卫星在轨延寿技术奠定良好的理论基础。