基于特征建模的空间非合作目标交会和逼近控制研究

This project mainly studies the control problem of rendezvous and approach to non-cooperative target in space. In order to achieve optimal, accurate, safe and reliable control of rendezvous and approach, we introduce control based on method of characteristic modeling which considers both dynamic characteristics of control object and control target. The specific studies are as follows: characteristic modeling for rendezvous and approach to non-cooperative target in space, rendezvous control for non-cooperative target based on characteristic modeling and approach control for non-cooperative target based on characteristic modeling. The aims of this project are: to give systematic method of characteristic modeling for relative motion between chasing spacecraft and non-cooperative target, to solve the problems of optimal multi-impulse rendezvous in an elliptical orbit, optimal trajectory tracking control based on characteristic modeling and approach control for non-cooperative target based on characteristic modeling considering safety, flexible vibration, uncertainty of relative dynamic model and coupling relative position and attitude dynamic model. Finally, an applicable and reliable solution will be given for rendezvous and approach to non-cooperative target in both close range phase and final approach phase.

本项目主要研究针对空间非合作目标的交会和逼近控制问题，核心是引入面向对象特征与控制目标的特征建模方法，实现针对非合作目标的优化、精确、安全可靠的交会和逼近控制。具体内容包括：针对非合作目标的交会和逼近相对运动的特征建模；基于特征模型的非合作目标交会控制；基于特征模型的非合作目标逼近控制。通过本项目的研究，期望给出针对非合作目标相对运动的系统化特征建模方法，解决椭圆轨道最优脉冲交会问题、基于特征模型的最优交会轨迹跟踪控制问题和综合考虑安全性、挠性振动、相对动力学不确定、相对姿态和位置耦合等因素的非合作目标逼近控制问题。为近程导引段和最后逼近段的非合作目标的交会和逼近提供系统化的可行、可靠的解决方案。

本项目按照研究计划执行，完成了研究目标。本项目将面向对象特征与控制目标的特征建模方法引入到针对非合作目标的交会和逼近相对运动控制中，实现针对非合作目标的优化、精确、安全可靠的交会和逼近控制。.首先，研究了针对非合作目标的交会和逼近的相对运动特征建模问题，建立了特征模型相对运动近似方程和基于开普勒轨道的相对运动方程间的误差随时间变化规律。分析了相对位置和相对姿态耦合机理，建立全耦合的逼近段特征模型。.第二，研究了基于特征模型的非合作目标交会控制问题，解决了基于线性模型的椭圆轨道最优脉冲交会求解问题，提出了针对目标位于未知椭圆轨道的交会的自适应控制方法，以及针对自旋目标的末段精确交会逼近控制的完整的控制策略，给出了目标航天器为非合作机动目标情况下两航天器的相对位置控制方法。.第三，研究了基于特征模型的非合作目标逼近控制问题，针对相对位置跟踪问题，给出了基于时间放缩的特征模型自适应控制方法，针对姿态同步问题，给出了一种基于特征模型和相对姿态四元数的控制方法。以失控自旋目标航天器交会逼近控制为对象，基于提出的位置和姿态控制方法，以克服各种实际条件限制下的困难或约束为目标，给出了近距离逼近的完整控制策略。.第四，研究了基于特征模型的自适应控制理论和应用中的一些问题，包括非最小相位系统的镇定问题，机器人的平衡及奔跑控制问题，多机器人一致性控制问题等。.学术交流与合作方面，项目成员参加了多个学术会议。围绕本项目的研究内容，积极开展学术交流与合作，有效促进了本项目的研究。本项目实现了预期研究目标，共发表学术论文22篇，其中SCI 6篇，EI 11篇；受理国家发明专利1项；培养博士生1名，博士后1名。