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自主近程操作和对接的综合系统.doc
自主近程操作和对接的综合系统
摘要:开发了两个航天器自主近程操作和对接的包括制导、导航和控制(GNC)的综合系统。位置机动通过非线性相对运动动力学出的状态相关黎卡提方程和激光交会视觉(雷达)和视觉系统。在视觉系统中Gemini 和 Apollo交会,以及俄罗斯的宇宙号无人交会任务。阿波罗计划在有限的计算资源下验证了当前自主交会对接过程序需要的许多GNC功能。航天飞机作为阿波罗计划的后继者,开始于20世纪80年代前期,已经验证了多种航天器的交会对接功能。航天飞机的星载GNC系统和乘员指令系统可以自动执行包括平移和转动控制、寻的和相对导航在内的多种交会活动。但是,在距离目标90米以内,乘员使用安装在轨道器对接装置中心相机的视觉图像、轨迹控制敏感器和便携式态势感知显示器等,手动完成最终逼近阶段的机动控制。在21世纪前几年,已经提议了几个计划用来验证自主交会对接能力。自主交会技术验证(DART)任务,为美国空间计划完成自主交会,建立自主交会能力迈出了关键的一步。轨道快车计划的目的是验证包括交会、近程操作和停靠保持、抓捕、对接和流体(肼)传输等在内的一些卫星服务操作和技术。由美国空军实施的试验性卫星系统(XSS)系列验证更高级的微小卫星技术,例如接近观察、交会对接、重新配置以及在轨道卫星周围的近距离机动技术。验证了对空间目标超近距离的半自主操作和可视观测。自动转移飞行器(ATV)是由欧空局(ESA)开发的一次性无人补给航天器。ATV任务设计并完成了自动调相、和与国际空间站(ISS)接近、交会和对接以及随后的分离和离轨机动。它利用绝对和相对的GPS导航和星敏感器实现与国际空间站的自动交会。在距离ISS 249米时,ATV计算机采用视频仪和无线电测向仪数据实现最终的接近和对接机动。最终完全自动地与国际空间站的俄罗斯Zvezda服务模块对接。第一个Jules Verne ATV任务在2008年3月9日发射,在2008年4月3日成功与国际空间站对接。ATV标称交会策略的基本组成包括自由漂移段、调相转移、接近转移以及最终平移段。
实现交会任务的安全自主的GNC系统仍然是需要的。本研究的最低目标是开发基于线性二次型高斯(LQG)控制的GNC综合系统,然后验证其用于新近修改的接近策略的自主GNC系统能力。为了验证,在上述空间计划中,选择ATV平移至V-bar对接口的接近策略,并将其作为一个案例进行改进以评估所开发的自主GNC系统。并不是直接使用ATV的原始接近策略而是进行了修正,扩大了交会激光视觉(RELAVIS)扫描系统的距离。这样综合系统可以扩大近程交会的范围,该范围超出了近程操作的距离。因此,该系统可以扩展应用到不能使用GPS的深空探测中。通过使用基于C-W状态转移矩阵递推的拦截制导策略,使RELAVIS的应用成为可能。通过6自由度仿真验证了该综合系统在近程操作中各种平移和旋转机动所要求的能力,同时满足对接阶段所要求的终端条件。
1.2 总的近程操作策略
本文研究了一个新的近程操作策略,它根据ATV接近策略和选用的导航系统(RELAVIS扫描系统)改编而来。由ATV接近转移“V-bar跳跃”的几何特性得到的视场不能满足RELAVIS扫描系统视场的要求。所以在本文中开发了一种修正的V-bar跳跃接近方案来满足视场要求,以便允许使用RELAVIS系统。所提出的近程接近操作的策略如图1所示。以S2点作为近程转移的起始点。近程转移的不同阶段包括:从S2到S3的V-bar跳跃,在S3的停靠保持,从S3到S4的直线接近,在S4点的短暂保持,从S4到S41的直线逼近,在S41的第三次停靠,以及从S41到对接口的直线逼近。
图1 近程操作策略
近程操作策略按照预先确定的方式逐步执行。从S2到S41飞行段,ATV接近机动用的相对GPS导航系统由RELAVIS扫描系统代替。从S41到对接口飞行段,ATV用的基于电视的相对导航由更高精度的基于视觉的RELAVIS导航代替,以便满足严格的接近走廊要求。同样重要的是一个环绕目标200米的被称作“禁飞区域”球形范围,该范围仅仅能通过某一个走廊接近和撤离。任何航天器必须从接近走廊进入该区域。
GNC系统执行这个新的近程操作机动而不用地面站引导。GNC系统使用预先确定的制导功能和实时的星载导航功能,根据各飞行阶段自主选择需要使用的导航系统和确定控制指令。
1.3 GNC近程操作体系
前面提到的GNC系统由一个中央GNC处理器管理的多个独立的GNC功能组成。图2给出了GNC近程操作结构框图。
图2 制导、导航和控制交会功能结构
GNC系统的近程操作管理器功能隐藏在每个GNC中,包括指令,数据处理,以及全部任务阶段执行序列的管理。由于许多不同的机动和导航要求,以及用在各个近程操作阶段的多个姿态和导航传感器,每个阶段都用到不
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