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空間非合作目標操控及地面驗證 版權信息
- ISBN：9787030671899
- 條形碼：9787030671899 ; 978-7-03-067189-9
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
空間非合作目標操控及地面驗證 內容簡介
空間操控技術是航天器在軌服務、空間碎片清理等在軌任務的基礎。本書總結了航天飛行動力學技術重量重點實驗室在空間操控與地面實驗領域近十年來的科研成果。本書針對空間在軌故障航天器、失效衛星、空間碎片等空間非合作目標的在軌操控進行系統論述和深入研究；介紹空間非合作目標操控的核心技術，包括目標參數識別、目標消旋、自主安全交會對接控制、非合作目標抓捕和地面實驗等。另外，介紹由航天飛行動力學技術重量重點實驗室自主研發的國內專享的地面液磁混合懸浮等效微重力效應模擬平臺，以及基于此平臺開展的空間操控地面實驗。 本書可供空間在軌服務、空間非合作目標在軌操控及地面驗證領域的科研人員和相關工程技術人員參考。
空間非合作目標操控及地面驗證 目錄
目錄
前言
第1章 具有信息不完備特征的空間非合作目標在軌識別 1
1.1 空間非合作目標位姿質量參數一體化估計 1
1.1.1 基于DVQ的空間非合作目標姿軌一體化運動學與動力學模型 2
1.1.2 空間非合作目標觀測模型 7
1.1.3 空間非合作目標模型線性化 8
1.1.4 空間非合作目標位姿質量參數一體化估計可觀測性分析 14
1.1.5 基于EKF的空間非合作目標位姿質量參數一體化估計 17
1.2 基于自適應兩步濾波的一體化估計算法 27
1.2.1 基于自適應兩步濾波的空間非合作目標參數估計算法 27
1.2.2 DVQ-AETSF仿真分析 32
1.3 基于深度混合神經網絡的參數估計算法 38
1.3.1 BP神經網絡設計 39
1.3.2 DCNN設計 42
1.3.3 DVQ-MANN算法設計 45
1.3.4 DVQ-MANN仿真分析 46
1.4 基于多航天器協同觀測的空間非合作目標參數識別 50
1.4.1 多航天器協同觀測及空間非合作目標信息提取 51
1.4.2 基于EKF的空間非合作目標姿態解算 56
1.4.3 仿真分析 58
參考文獻 67
第2章 基于多航天器編隊的電磁非接觸式消旋 69
2.1 空間非合作目標消旋方法 69
2.1.1 接觸式消旋方法 69
2.1.2 非接觸式消旋方法 73
2.1.3 其他消旋方法 76
2.2 多航天器協同電磁非接觸式消旋 77
2.2.1 問題描述 77
2.2.2 理論推導 78
2.2.3 仿真驗證 85
參考文獻 88
第3章 多約束條件下空間非合作目標自主安全交會對接控制 91
3.1 考慮運動約束的自主安全交會對接控制 91
3.1.1 坐標系定義與運動模型 92
3.1.2 運動約束與問題描述 95
3.1.3 模型參數已知情況下的自主安全控制律設計 100
3.1.4 模型參數未知情況下的魯棒自適應安全控制律設計 117
3.2 速度級狀態不可測的輸出反饋自主安全交會對接控制 129
3.2.1 基礎介紹和問題描述 131
3.2.2 輸出反饋控制律設計 134
3.3 多約束條件下的自主安全交會對接控制 150
3.3.1 問題描述 150
3.3.2 基于模型預測控制方法的自主安全交會對接控制 156
3.3.3 仿真驗證 161
參考文獻 168
第4章 外形---運動自適應的空間非合作目標多指包絡抓捕 171
4.1 空間非合作目標多指包絡抓捕問題描述 171
4.2 多指機構 172
4.2.1 多指機構結構模型 172
4.2.2 空間非合作目標包絡條件 173
4.3 “主-從”式多指包絡算法設計 174
4.3.1 包絡點追蹤 175
4.3.2 包絡邊匹配 177
4.3.3 從手指構型確定 179
4.3.4 有效包絡構型確定 180
4.4 仿真驗證 180
4.4.1 扁平型空間非合作目標多指包絡抓捕 181
4.4.2 一般性三維空間非合作目標多指包絡抓捕 184
參考文獻 187
第5章 液磁混合懸浮等效微重力實驗平臺及地面實驗 189
5.1 液磁混合懸浮的基本原理 190
5.2 地面液磁混合懸浮等效微重力效應模擬實驗平臺 193
5.2.1 液浮系統 193
5.2.2 電磁系統 194
5.2.3 測量系統 195
5.2.4 支持保障系統 197
5.2.5 實驗體系統 198
5.3 基于液磁混合微重力平臺的單航天器交會對接實驗 201
5.3.1 控制系統模型 201
5.3.2 自抗擾控制器設計 202
5.3.3 實驗驗證 203
參考文獻 205
彩圖
前言
第1章 具有信息不完備特征的空間非合作目標在軌識別 1
1.1 空間非合作目標位姿質量參數一體化估計 1
1.1.1 基于DVQ的空間非合作目標姿軌一體化運動學與動力學模型 2
1.1.2 空間非合作目標觀測模型 7
1.1.3 空間非合作目標模型線性化 8
1.1.4 空間非合作目標位姿質量參數一體化估計可觀測性分析 14
1.1.5 基于EKF的空間非合作目標位姿質量參數一體化估計 17
1.2 基于自適應兩步濾波的一體化估計算法 27
1.2.1 基于自適應兩步濾波的空間非合作目標參數估計算法 27
1.2.2 DVQ-AETSF仿真分析 32
1.3 基于深度混合神經網絡的參數估計算法 38
1.3.1 BP神經網絡設計 39
1.3.2 DCNN設計 42
1.3.3 DVQ-MANN算法設計 45
1.3.4 DVQ-MANN仿真分析 46
1.4 基于多航天器協同觀測的空間非合作目標參數識別 50
1.4.1 多航天器協同觀測及空間非合作目標信息提取 51
1.4.2 基于EKF的空間非合作目標姿態解算 56
1.4.3 仿真分析 58
參考文獻 67
第2章 基于多航天器編隊的電磁非接觸式消旋 69
2.1 空間非合作目標消旋方法 69
2.1.1 接觸式消旋方法 69
2.1.2 非接觸式消旋方法 73
2.1.3 其他消旋方法 76
2.2 多航天器協同電磁非接觸式消旋 77
2.2.1 問題描述 77
2.2.2 理論推導 78
2.2.3 仿真驗證 85
參考文獻 88
第3章 多約束條件下空間非合作目標自主安全交會對接控制 91
3.1 考慮運動約束的自主安全交會對接控制 91
3.1.1 坐標系定義與運動模型 92
3.1.2 運動約束與問題描述 95
3.1.3 模型參數已知情況下的自主安全控制律設計 100
3.1.4 模型參數未知情況下的魯棒自適應安全控制律設計 117
3.2 速度級狀態不可測的輸出反饋自主安全交會對接控制 129
3.2.1 基礎介紹和問題描述 131
3.2.2 輸出反饋控制律設計 134
3.3 多約束條件下的自主安全交會對接控制 150
3.3.1 問題描述 150
3.3.2 基于模型預測控制方法的自主安全交會對接控制 156
3.3.3 仿真驗證 161
參考文獻 168
第4章 外形---運動自適應的空間非合作目標多指包絡抓捕 171
4.1 空間非合作目標多指包絡抓捕問題描述 171
4.2 多指機構 172
4.2.1 多指機構結構模型 172
4.2.2 空間非合作目標包絡條件 173
4.3 “主-從”式多指包絡算法設計 174
4.3.1 包絡點追蹤 175
4.3.2 包絡邊匹配 177
4.3.3 從手指構型確定 179
4.3.4 有效包絡構型確定 180
4.4 仿真驗證 180
4.4.1 扁平型空間非合作目標多指包絡抓捕 181
4.4.2 一般性三維空間非合作目標多指包絡抓捕 184
參考文獻 187
第5章 液磁混合懸浮等效微重力實驗平臺及地面實驗 189
5.1 液磁混合懸浮的基本原理 190
5.2 地面液磁混合懸浮等效微重力效應模擬實驗平臺 193
5.2.1 液浮系統 193
5.2.2 電磁系統 194
5.2.3 測量系統 195
5.2.4 支持保障系統 197
5.2.5 實驗體系統 198
5.3 基于液磁混合微重力平臺的單航天器交會對接實驗 201
5.3.1 控制系統模型 201
5.3.2 自抗擾控制器設計 202
5.3.3 實驗驗證 203
參考文獻 205
彩圖
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空間非合作目標操控及地面驗證 節選
第1章 具有信息不完備特征的空間非合作目標在軌識別 在針對空間非合作目標的空間服務中，由于空間非合作目標在空間自由翻滾的特性，貿然觸碰可能會損毀服務航天器，在對這類空間非合作目標進行操作時，首先需要對其進行非接觸式的參數估計。在非接觸的情況下，服務航天器通過精確的數學模型、準確的測量和合理可靠的參數估計算法對空間目標的位置參數、姿態參數、轉動慣量比值和質心位置（后兩者并稱為質量參數）進行確定。準確的參數估計能夠為后續任務，如接近路徑規劃、抓捕后參數辨識、抓捕后控制等提供可靠基礎。因此，為了保證這類處理空間非合作目標任務的順利進行，需要對其參數進行準確、可靠的估計。 在理論研究和工程應用領域，國內外對空間目標的參數估計技術都取得了豐碩的成果。然而，傳統的參數估計方法存在位姿參數估計分離、合作性需求過高、忽略質量參數估計、抗干擾能力有限等諸多不足。因此，對空間非合作目標進行一體化準確可靠的參數估計對空間操作具有重要的意義，涉及參數估計系統的可觀測性分析、觀測強非線性處理，以及魯棒參數一體化估計算法等國內外研究的熱點和難點問題。以空間非合作目標為研究對象，對其位姿參數、質量參數的一體化估計進行系統研究，作為對當下空間非合作目標參數估計這一熱點問題的拓展，具有一定的學術價值和工程意義。 1.1 空間非合作目標位姿質量參數一體化估計 系統的可觀測性是分析評價參數估計算法的重要指標，反映參數估計算法在結合一定觀測輸入的條件下，能否對目標的參數進行有效估計。對于空間非合作目標位姿質量參數一體化估計這一強非線性系統，在進行參數估計算法設計前，首先需要考慮參數估計算法的評價指標，即系統的可觀測性與可觀測度。 對一個非線性系統而言，其可觀測性求解有基于局部線性化和基于微分幾何171兩種方法。由于測量敏感器的采樣頻率為2Hz，并且默認在參數估計有效時才對系統進行可觀測性分析，局部線性化帶來的截斷誤差對非線性系統的影響十分有限。此外，估計的參數較多且維數較高，基于微分幾何的系統可觀測性分析方法將會帶來極大的星上計算與數據存儲負擔。考慮到后續參數算法設計內容上的延續性，可先采用局部線性化對空間非合作目標位姿質量一體化參數估計這一強非線性系統進行線性化處理，再采用適于線性系統的系統可觀測性方法進行分析。 本節首先給出基于矢量對偶四元數（dual vector quaternions， DVQ）的空間非合作目標姿軌一體化運動學與動力學模型，并對空間非合作目標的觀測進行建模分析，采用激光雷達測量敏感器，建立針對空間非合作目標的觀測模型。其次，選擇需要進行估計的參數，并結合基于DVQ的空間非合作目標姿軌一體化模型與相應的觀測模型，對其進行一階線性化處理，計算相應待估計參數的雅可比矩陣。在此基礎上，通過一階線性化近似非線性系統的方式，計算空間非合作目標位姿質量參數一體化估計系統的可觀測矩陣，分析該可觀測矩陣的秩和條件數，并對該矩陣進行特征值分解，建立所研究非線性系統的可觀測性與可觀測度的分析框架。*后，結合基于DVQ的空間非合作目標姿軌一體化模型與觀測模型，設計基于擴展卡爾曼濾波（extended Kalman filter， EKF）的空間非合作目標位姿質量參數一體化估計算法，即基于矢量對偶四元數的擴展卡爾量濾波（dual vector quaternions-extended Kalman filter， DVQ-EKF）算法，并針對上述可觀測性分析框架，對其參數估計仿真結果進行定量分析。 1.1.1基于DVQ的空間非合作目標姿軌一體化運動學與動力學模型 相比采用傳統Clohessy-Wiltshire（C-W）方程表示的空間目標相對運動模型[8]，基于DVQ的空間非合作目標動力學模型不僅能夠突破傳統C-W方程將目標視為質點的假設，還能克服傳統姿態運動學與動力學方程不考慮相對平動的缺陷，從而同時描述空間目標的相對位置和相對姿態[9，10]。相比于傳統空間相對運動的描述方法，采用DVQ進行姿軌一體化建模對空間目標間的相對運動具有更深層次的刻畫，其運動學模型含有傳統誤差四元數形式的姿態運動學信息，并在此基礎上描述了相對位置與相對姿態的關系，即剛體相對運動的姿軌耦合信息。形式上，基于對偶四元數的姿軌耦合動力學方程與傳統的相對轉動和相對平動動力學方程一致，相當于將傳統的相對軌道動力學方程投影到目標本體系中，但相比軌道和姿態分別建模的情形，采用對偶四元數對空間目標進行相對運動建模的形式更加簡潔明了，計算效率更高。 對偶四元數是實部與對偶部均為四元數的對偶數，能夠描述兩個坐標系之間的相對螺旋運動關系。基于對偶四元數的空間非合作目標相對服務航天器的相對運動學方程為 （1.1） 其中， （1.2） 為空間非合作目標與服務航天器間的相對位姿對偶四元數。單位對偶四元數“和紀叩分別描述了空間非合作目標和服務航天器相對于地心慣性坐標系（earth-centered inertial coordinates， ECI）的相對位姿關系。 （1.3） 為空間非合作目標相對于服務航天器的速度對偶四元數。其中， （1.4） （1.5） 分別為空間非合作目標相對于服務航天器的角速度與線速度的擴展四元數形式矢量；e為對偶算子，滿足e2=0且 由于在單位對偶四元數中，相對姿態的表達采用了完全形式的四元數表達，需要用8維單位對偶四元數形式的參數表示剛體間的螺旋運動。當參數估計過程正常時，利用一組姿態四元數的耦合特性，可以使用一組單位對偶四元數中的3個參數對相對姿態進行描述，同時還可以避免系統出現奇異。 1.基于DVQ的空間非合作目標姿軌一體化運動學模型 定義誤差對偶四元數為 （1.6） 其中，氣丨B為相對位姿對偶四元數qT/B在某一時刻的估計量。 將式（1.6）對時間微分，可得 （1.7） 由式（1.1）可知 （1.8） 將式（1.8）和式（1.1）代入式（1.7），可得 （1.9） 展開化簡，可得基于誤差對偶四元數的空間非合作目標運動學方程： （1.10） 空間非合作目標操控及地面驗證 當參數估計準確時，相對位姿對偶四元數估計量hT丨B與其真實值包寧偏差較小，因此有 由文獻[12]可得 將式（1.14）和式（1.15）代入式（1.10），得 （1.11） （1.12） （1.13） （1.14） （1.15） （1.16） 式（1.16）為基于DVQ的空間非合作目標姿軌一體化運動學方程。其矢量對偶實部展開為 （1.17） 2.基于DVQ的空間非合作目標姿軌一體化動力學模型 根據Brodsky理論和動量矩定理，基于對偶四元數的空間非合作目標的修正歐拉方程為 其中， 為空間非合作目標的對偶角動量，其中， （1.18） （1.19） （1.20） （1.21） 為空間非合作目標的對偶轉動慣量與轉動慣量矩陣； 為作用在空間非合作目標上的合外力矩，其中， 為作用在空間非合作目標上的平動力矩； 為作用在空間非合作目標上的轉動力矩。將式（1.19）代入式（1.18），得 展開得 將式（1.26）重新組合，得 其中， 將式（1.28）代入式（1.27），可得 （1.22） （1.23） （1.24） （1.25） （1.26） （1.27） （1.28） （1.29） （1.30） 即 （1.32） 式（1.32）為基于對偶四元數的空間非合作目標絕對姿軌一體化動力學方程。其中，s為swap的縮寫，表示括號內物理量的可用替代量。 由于相對對偶速度為 （1.33） 可得 （1.34） 將式（1.34）代入式（1.32），可得 注意到 （1.35） （1.36） 將式（1.36）代入式（1.35），可得 （1.37） 式（1.37）為基于對偶四元數的空間非合作目標相對姿軌一體化動力學方程。 僅采用的矢量部分，有 其中， （1.38） （1.39） （1.40）
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