基于能觀能控理論的航天器自主導航與控制方法研究.pdf

1、自主導航與控制是航天技術領域的重要研究課題。隨著航天科技的發(fā)展，航天器需要完成的任務更加復雜，對導航方式與控制器的選擇提出了更高的要求，加之航天器系統(tǒng)本身具有較強的非線性，對導航與控制系統(tǒng)的設計和分析帶來了諸多挑戰(zhàn)。為此，本學位論文基于非線性系統(tǒng)的能觀性與能控性理論，對航天器自主導航系統(tǒng)的量測方案選擇與性能分析以及小推力控制方法進行深入的研究，以期為未來相關技術的發(fā)展提供理論依據。論文的主要內容包括以下幾個方面：
　　研究了自主導

2、航系統(tǒng)的能觀性分析方法。首先基于線性系統(tǒng)能觀性魯棒性的研究，建立了基于線性化的非線性系統(tǒng)局部能觀性判據，利用該判據分析了基于視線矢量測量的自主導航系統(tǒng)能觀性，并以飛越小天體自主導航為例進行仿真驗證。其次通過系統(tǒng)微分方程本身的處理和推導，建立系統(tǒng)輸出與初始狀態(tài)之間的映射關系，借助于反函數定理給出一個利用矩陣的秩描述的局部能觀性判據。進一步考慮中心引力場下運行的航天器與參考星，將所得能觀性結論應用于自主導航系統(tǒng)的量測方案選擇問題，并結合仿真

3、算例進行分析和驗證。
　　研究了能觀性度量與自主導航性能評價方法。首先針對確定性非線性系統(tǒng)，給出了基于條件數的能觀性度量方法，將其用于圓型限制性三體系統(tǒng)，按參考軌跡給出航天器各位置分量對系統(tǒng)狀態(tài)的能觀度。其次針對隨機非線性系統(tǒng)，論證了FIM(Fisher Information Matrix)與能觀性之間的關系，進而利用FIM的跡定義系統(tǒng)的能觀度，并將其用于視線測量自主導航系統(tǒng)的能觀度分析。然后利用FIM與狀態(tài)估計精度之間的關系嚴

4、格推導了最優(yōu)狀態(tài)估計誤差方差陣的傳播規(guī)律，將其作為衡量自主導航算法性能的指標，為實際導航系統(tǒng)的設計與分析提供理論依據。
　　以橢圓軌道轉移問題為背景，研究了基于能控性分析的小推力控制方法。鑒于在笛卡爾坐標系下和利用軌道根數描述的小推力控制系統(tǒng)均為仿射非線性系統(tǒng)，本文基于微分幾何理論研究了仿射非線性系統(tǒng)的能控性，發(fā)展了基于漂移向量場弱Poisson穩(wěn)定的能控性判據，并利用相關結果論證了小推力控制系統(tǒng)的能控性，進而提出了基于阻尼反饋的

5、小推力橢圓軌道轉移控制方法，將其應用于環(huán)繞地球橢圓軌道之間的轉移，利用仿真分析驗證方法的有效性。
　　設計了半物理仿真系統(tǒng)對自主導航與小推力控制方法的可行性進行分析。針對環(huán)月探測器，建立了基于光學導航相機、月球圖像模擬器和Matlab/Simulink/dSPACE的自主導航與控制半物理仿真系統(tǒng)，利用光學導航相機和激光高度計構建探測器到月心的矢量，并利用擴展卡爾曼濾波估計探測器的位置和速度，進一步將自主導航模塊的輸出用于小推力軌道