空间对接仿真试验台对接机构测控系统设计

为实现空间两飞行器的交会对接,需要对空间交会对接过程进行仿真调试。为此,构建空间对接半实物仿真试验台,克服无实物仿真环境的局限性,再现2个空间飞行器的交会对接过程。提出对接机构测控系统设计方案,描述其软件结构和控制流程,建立对接机构测控模型,通过RT-LAB实时仿真平台将模型下载到测控计算机上运行,实现对接机构传感器信号的采集和运动控制。试验结果表明,该系统模型能够模拟飞行器的交会对接过程,具有较好的实时性,系统运行稳定、可靠。     

激光导航敏感器在自动交会中的应用

新型航天任务要求机载系统具备自动交会和对接的功能，开发，研制此类自动交会对接系统的关键在于如何准确获得追踪航天器与目标航天器之间的相对位置、相对速度、相对姿态及相对姿态角速度等状态信息。采用激光敏感器并配合以适当的导航滤波器就可得到所期望的导航精度。本文针对激光敏感器应用于自动交会对接测量系统，探索导航滤波器的结构组成，设计考虑及其运行性能，并以美国航天飞机的交会对接为实例，向读者提示导航系统的一     

一种GPS载波相位差分相对定位算法

导航定位技术是空间卫星交会对接任务的关键技术;导航定位精度要求达到厘米级,工程实现难度大;为了解决该问题,文章基于卫星交会对接任务需求,提出采用GPS载波相位差分相对定位算法对卫星进行高精度导航定位;该算法利用测量之间的强相关性,通过误差消除获得高测量精度;同时,应用该算法结合星载GPS天线进行了外场试验验证;试验结果表明,GPS载波相位差分相对定位算法精度达到厘米级,可以满足卫星交会对接任务的导航定位测量要求。     

高超声速飞行器惯导系统误差参数两次优化辨识方法

为满足高超声速飞行器高精度和高可靠性的导航要求,提出一种在发射惯性系下利用智能优化算法实现捷联惯性系统误差参数两次优化辨识的方法.建立惯性测量单元(IMU)误差补偿模型和完整的非线性捷联惯性系统导航模型,为数值优化计算提供准确的模型基础.基于SINS/GPS/CNS组合导航系统信息,建立陀螺仪误差优化模型和加速度计误差优化模型,采用两次优化策略分步估计捷联惯性系统误差参数:首先利用粒子群算法对陀螺仪误差参数进行优化辨识和补偿;然后利用粒子群算法对加速度计误差参数进行优化辨识.仿真结果表明,基于组合导航系统信息和非线性优化模型,两次优化辨识方法能够在线辨识出高精度的捷联惯性系统误差参数,陀螺仪和加速度计优化参数值的相对误差均在20%以内,从而有效提高了高超声速飞行器导航精度.     

用于交会对接的载波相位GPS相对导航系统

精确确定两个交会对接（ＲＶＤ）的航天器之间的相对位置和相对速度是十分重要的，全球定位系统（ＧＰＳ）相对导航系统是一种适用于交会对接任务的导航系统，因为几乎在ＲＶＤ的每个阶段都能用ＧＰＳ实现连续的精确导航，本文提出了一种利用差分载波相位测量的增强型ＧＰＳ相对导航系统，这个系统的载波相位模糊解通过模糊估计滤波器在几分钟的即可解性，因此可以利用厘米级精度的相位测量技术把系统的相对定位粗度提高到优于１．０     

北斗/GPS无人飞行器动态导航中改进自适应算法

北斗与GPS或其他类型导航设备可构成组合导航系统,为无人飞行器提供高精度、高可靠导航信息。在处理动态导航数据采用"当前"统计模型(CS模型)并利用标准Kalman滤波方法时,系统动态噪声和观测噪声未知且时变,而且加速度上下限值不能自适应于未知运动规律的无人飞行器当前加速度,导致导航精度降低。为此,提出一种适应于飞行器运动状态的改进自适应算法,并应用于北斗/GPS动态导航系统中。实验仿真验证了该算法能有效提高组合导航系统的精度和可靠性,并能更好地自适应于无人飞行器的机动特性。     

用于自动轨道转移飞行器（ATV）交会的相对GPS导航设计和验证

ＥＡＳ将通过ＡＴＶ交会预研（ＡＲＰ）项目，验证欧洲实现在未来自动轨道转移飞行器（ＡＴＶ）与国际阿尔法空间站（ＩＳＳＡ）自动交会对接所要掌握的关键技术。在该预研项目中，研制了一个基于ＧＰＳ的相对导航系统（ＲＧＰＳ），作为远程接近操作（１２ｋｍ￣３００ｍ）所采用的主要导航基准。其基本设计思想是利用卡尔曼滤波器处理两台ＧＰＳ接收机在同一时刻接收到的数据，一个ＧＰＳ接收机装在ＡＴＶ上，另一个装在ＩＳＳＡ上     

交会对接航天员训练电视图像实时高动态范围渲染

应用基于人眼视觉系统的高动态范围实时渲染技术处理交会对接仿真场景,可以为航天员手控交会对接训练提供高逼真度的电视图像.文中结合交会对接电视图像的特点,分析了交会对接航天员训练电视图像高动态范围实时渲染的关键技术;根据两航天器相对距离,将交会对接过程分为远、中和近3个距离段,采用S-curve算法、自适应对数算法和Reinhard算法分别对每个距离段进行调和映射处理;改进了自适应对数算法和Reinhard算法,并基于GPU处理技术实现仿真电视图像的实时显示.实验结果表明,采用基于距离变化调整调和映射算法的方法处理交会对接仿真电视图像可以高逼真地模拟实录视频场景,为航天员手控交会对接训练提供了视景支持.     

基于雷达测距的飞行器交会对接误差补偿控制技术

为解决由视线倾角、视线偏角过大造成的飞行器对接存在误差的问题,实现飞行器交会轨迹的精准对接,提出基于雷达测距的飞行器交会对接误差补偿控制技术。建立空间参考坐标系,根据轨道根数计算结果,推导动力学状态方程,实现对飞行器交会对接过程中的动力学作用分析。按照雷达测距原理,计算飞行器的理论飞行时长及雷达装置作用距离,再联合相关参数指标,确定精度极限的取值范围,实现基于雷达测距的对接误差控制。在三坐标测量机结构模型中,定义飞行位姿拟合条件,再根据位姿误差求解结果,实现对误差参数的补偿修正处理,完成基于雷达测距的飞行器交会对接误差补偿控制方法的设计。对比实验结果表明,应用所提方法可以同时将视线倾角、视线偏角的取值控制在0°-45.0°的数值范围之内,能够较好解决飞行器错误对接的问题,符合精准对接飞行器交会轨迹的实际应用需求。     

基于某微型飞行器的2种图像导航算法性能比较

导航系统是微型飞行器中必不可少的重要部分,在城市、建筑物内部或强电磁干扰等环境下,要实现导航必须采用全新的技术。图像导航是其有效技术之一。根据微型飞行器导航系统实时性和算法精准性的要求,研究了2种图像导航算法：互相关匹配法和局部熵差法。为了降低计算量,使其易于工程实现,采用了分层搜索等技术,并对2种算法进行了改进。仿真结果表明：“互相关匹配法”更适合微型飞行器的图像导航。     

非合作航天器自主相对导航研究综述

非合作航天器自主相对导航作为与非合作航天器实现空间交会对接过程中的关键技术,是在轨服务技术的重点发展方向之一,其研究具有重要的理论价值与工程意义.针对在轨服务任务对于自主相对精确导航的需求,本文对发展非合作航天器自主相对导航技术的必要性进行了阐述.首先总结了非合作航天器自主相对导航技术的内涵与研究现状;随后分析梳理了非合作航天器自主相对导航过程涉及到的光学敏感器、位姿测量、导航滤波器以及地面实验等关键技术.最后根据研究现状和关键技术的分析指出了非合作航天器自主相对导航目前存在的主要问题并给出后续发展的建议.     

ADRC Law of Spacecraft Rendezvous and Docking in Final Approach Phase

This article addresses the high-precision coordinated control problem of spacecraft autonomous rendezvous and docking, which couple the relative position and attitude in the final approach phase. The coupled dynamics equations of the tracking-target spacecrafts is derived by using dual quaternions. Then, a cascade Active Disturbance Rejection Controller is proposed, by which the extended state observer and nonlinear error feedback law is designed, the virtual value on which the actual control volume tracking is calculated to ensure the finite time convergence of the relative position and attitude tracking errors in spite of parametric uncertainties and external disturbances. Finally, numerical simulations are performed to demonstrate that the proposed approaches, which can avoid the coupling effect and restrain the interference, can track the target spacecraft in a relatively short period of time, and the control precision can satisfy the requirements of docking.     

空间站交会对接的一种智能控制方法与仿真

本文研究了空间站交会对接阶段的仿人智能控制问题，设计了相应的特征模型和控制逻辑，建立了系统的知识库、数据库、规则库和推理机等。最后通过对两个飞行器的空间交会对接过程的数字仿真，验证了所设计的智能控制方案的有效性。     

基于超二次曲线障碍描述的航天器交会对接地面实验研究

航天器交会对接技术是众多空间任务得以开展的关键性技术,在进行空间在轨飞行任务之前,需开展相应的地面实验研究.首先,基于二维交会对接模型,提出了一种基于势函数法的交会对接控制方法.其次,考虑与类矩形障碍物的避撞约束以及与心形目标航天器的安全对接区域约束,并采用超二次曲线去描述该障碍物外形.然后,基于花岗岩气浮平台搭建了二维交会对接地面实验系统,设计了航天器气浮模拟器以及电磁对接机构,并开展了交会对接地面实验研究.实验结果表明了所搭建实验系统的可行性,同时也验证了所提出交会对接控制方法的有效性.     

Research on the strategy of angles-only relative navigation for autonomous rendezvous

This paper considers the problem of angles-only relative navigation for autonomous rendezvous. Methods for determining degree of observability (DOO) and latent range information of orbital maneuver are proposed for analyzing and enhancing the precision of relative position and velocity estimation. The equations of angles-only relative navigation are set forth on the condition that optical camera is the only viable sensor for relative measurement, and expressions for the DOO of relative navigation are obtain...     

基于测角测距信息火星环绕器导航方法

针对传统的基于天文角度信息的导航方法用于火星环绕器导航应用中存在导航源可见弧段连续性差,导航精度较低等问题,提出了一种适用于火星环绕器组合导航的联邦自适应UKF改进算法。通过引入新的测距导航源,充分利用测角敏感器获得的火卫一和火卫二相对于环绕器的视线矢量信息以及测距敏感器获得的环绕器相对于其它火星在轨航天器的距离信息,运用UKF对环绕器状态进行估计,引入Sage-Husa噪声估计器,抑制非高斯噪声对导航精度的影响,达到提高导航精度的目的。仿真结果表明了所提出的适用于火星环绕器组合导航的联邦自适应UKF改进算法的有效性,火星环绕段导航位置估计精度优于0.4km,速度估计精度优于0.5m/s,相对于传统的天文测角导航,性能提升50%。     

一种航天器对接姿态校正参数测量方法

利用圆环投影推导三维空间中航天器相互姿态关系的数学模型,对圆环投影的检测方法进行初步讨论,提出一种基于圆环投影检测的航天器对接校正参数测量方法。该方法能直观地获取航天器对接过程中跟踪航天器的姿态校正角度参数,且不必在目标航天器布设特征光点,为实现空间航天器准确对接提供了实用、有效的解决方案。     

非合作式自主交会对接的终端接近制导控制器设计

研究了非合作式自主交会对接的终端接近控制问题：针对具有强非线性和耦合性的视线相对运动状态方程,提出了一种精确的制导控制方法;应用Lyapunov稳定性理论证明了在所提出的制导方法控制下系统的稳定性;最后,用精确的数学模型进行了数值仿真,验证了制导方法的正确性和有效性。     

Robust adaptive backstepping control for autonomous spacecraft proximity maneuvers

The control problem of autonomous proximity phase during rendezvous and docking is studied for a chaser spacecraft subject to parametric uncertainty and unknown external disturbance approaching to a tumbling non-cooperative space target. A coupled relative motion model is established for the autonomous spacecraft proximity missions based on the relative motion information and chaser’s motion information. Based on the cascaded structure of the six degrees-of-freedom coupled model, the backstepping technology combined with element-wise and norm-wise adaptive control methods is used to design a relative position controller firstly, then the same method is also applied to the design of the relative attitude controller. Asymptotic stability is proven uniformly for the six degrees-of-freedom closed-loop system, and the performance of the controlled overall system is demonstrated via a representative numerical example.     

Study of observability of motion of an orbital group of navigation space system using intersatellite range measurements. I

The problem of specification of reference ephemeris (reference motion) using intersatellite range measurements on a given interval between spacecrafts of the space navigation system is formulated; observability for this problem is analyzed. Observability is the possibility of unambiguous determination of motion parameters of the orbital group of the space navigation system using known inter-satellite measurements on a given measurement interval. Linear approximate model describing the dependence between measurements and specified parameters are obtained for investigation of observability properties. In the framework of linear model problems of observability of motion of two any spacecrafts of the navigation system are studied using intersatellite range measurements.