基于非完整量测的航天器相对运动控制

Conventionally, complete geometric and velocity measurements of the spacecraft are required to determine its relative motion states (e.g., the spacecraft attitude and angular velocity, and spacecraft position and linear velocity) and then perform control. In reality, however, measurements can be incomplete due to physical constraints or sensor failures, resulting in unprecedented challenges for spacecraft motion estimation and control. Therefore, this proposal aims to address the estimation and control problem of spacecraft relative motion with incomplete measurements. The research topics include: 1) attitude estimation and control without angular velocity measurements, 2) attitude estimation and control using measurements of one dynamic reference vector and three-axis angular velocity, 3) simultaneous attitude and position control without velocity measurements, and 4) simultaneous attitude-and-position estimation and control using measurements of two dynamic reference vectors and velocities. These objectives, once accomplished, will provide new solutions for spacecraft relative motion estimation and control with incomplete measurements, and the foundational theory and enabling technology for spacecraft navigation and control under complex conditions.

传统上，为了控制航天器的相对运动，需要先用完整的几何和速度测量信息来确定航天器的运动状态，如姿态与角速度、位置与线速度。实际应用中，由于物理限制或敏感器故障，往往不能得到完整的测量信息，给航天器的导航和控制带来了新的挑战。因此，本课题将研究量测非完整时航天器的相对运动估计与控制问题。具体研究内容包括：1）无角速度测量的姿态运动估计与控制，2）基于动态单矢量和三轴角速度测量的姿态运动估计与控制，3）无速度测量的姿轨联合估计与控制，4）基于动态双矢量和速度测量的姿轨联合估计与控制。项目完成后，将为量测信息非完整情况下航天器的相对运动估计与控制提供新的方案，为航天器在复杂条件下的导航与控制提供理论依据和关键技术支撑。

传统的航天器控制需要完整的几何和速度测量信息来确定运动状态，但在应用中由于物理限制、敏感器故障等因素往往无法实现，因此本项目系统地研究了量测非完整情况下的航天器相对运动控制问题。.首先，针对无角速度测量的姿态运动估计问题，以两个及以上非共线参考矢量作为输入，设计了四元数不变滤波器估计航天器的姿态和角速度，同时修正速率陀螺的常值漂移。在此滤波器基础上，结合四元数比例-微分控制律，采用时滞切换计了全局收敛的姿态跟踪控制器，在有界干扰、惯量不确定性和测量误差等有界摄动下，证明了观测-控制回路具有鲁棒稳定性。.其次，考虑航天器可以测量一个动态参考矢量和自身角速度的情况，本项目引入时滞切换，在混杂系统框架下设计了几乎全局收敛的观测器。研究表明只要动态参考矢量在惯性系中的任意一个有限的时间段内不是静止的即可实现全局收敛。.进一步，研究了无速度测量的姿轨联合控制问题。利用浸入与不变理论设计角速度和线速度观测器，其中，用高增益注入消除了姿轨动力学非线性的影响，时滞切换实现全局指数收敛。在此基础上，将姿态控制问题推广到姿轨联合控制问题中。采用对偶四元数描述的姿轨运动方程，将六自由度速度观测器与比例-微分加前馈的控制器结合，实现了姿轨联合跟踪控制。存在未知质量与惯量、未知有界外干扰、执行机构故障等不确定因素时，设计了对偶四元数积分终端滑模自适应控制器，实现了高精度的姿轨联合控制。.最后，在可测量两个非共线动态参考矢量和航天器本体速度时，研究了位姿估计及姿轨联合控制问题，通过分析给出了可观性条件。满足可观性时，利用侵入与不变方法设计了具有指数收敛性的位姿和速度观测器，结合比例-微分加前馈的控制器实现了全局渐近收敛的航天器姿轨联合控制。.以上研究成果对欠测量情况下航天器姿态运动估计、姿轨运动估计以及相应的运动控制问题提供了理论设计与分析的技术，可以在复杂条件下为航天器的导航与控制提供新的方案。