《基於對偶四元數的編隊微小衛星相對位、姿測控研究》是依託南京航空航天大學，由王惠南擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於對偶四元數的編隊微小衛星相對位、姿測控研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：王惠南
- 依託單位：南京航空航天大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本項目是針對微小衛星編隊飛行，探尋微小衛星相對位、姿測控的全新技術。本項目在國內外首次以對偶四元數為數學工具，將姿態動力學中所涉及到角速度和速度、力和力矩以及動量和動量矩用三個對偶四元數將其統一起來，使得力學模型變得簡潔，達到減小衛星編隊控制系統複雜度目的。此外，通過使用對偶四元數建立了不同衛星坐標系與慣性坐標系之間的坐標變換關係，進一步將姿態與軌道信息統一處理，可最佳化系統模型，明顯減少計算量。在建立編隊衛星力學模型的基礎上，將深入研究三種基於對偶四元數的軌道和姿態確定算法，並進一步研究探索軌道和姿態耦合控制律和設計相應的控制器，同時，在理論研究的基礎上進行仿真實驗來驗證本項目的理論研究成果。本項目的成功研究不僅可充分挖掘小衛星有限的星載資源，而且可為相關領域（空間站位姿測控、機器人測控和視覺導航）提供理論和技術支持，具有重要的科學意義和實際套用價值。
結題摘要
小衛星編隊飛行是一個航天技術中的新興領域，它以其性價比的獨特優勢與更高的可靠性和適應性、而受到各國航天技術研發機構與科究人士的青睞。本項目深入研究了微小衛星編隊飛行這一當今航天技術中前沿課題，其核心內容是針對作為群飛行的微小衛星之間的位置/姿態進行新穎深刻的模型刻劃與工程測量，同時，為保證編隊小衛星群的穩定飛行，盡最大努力研究了在新的數學工具下衛星軌道/姿態耦合控制(Coupled Control) 的全新方法。為探尋微小衛星編隊飛時的相對位/姿測控的全新理論描述與測控技術，本項目在國內外首次以對偶四元數這一古老而又全新的幾何代數作為數學工具，將姿態動力學中所涉及到的角速度和速度，角速度和力，角速度和加速度用三個對偶四元數將其統一起來，使得運動方程變得更具簡潔科學美，以求減小衛星編隊控制系統複雜度目的。同時，通過使用對偶四元數建立了不同衛星坐標系與慣性坐標系之間的關係，進一步將姿態與軌道信息統一處理，可最佳化系統模型，明顯減少計算量。在建立編隊衛星力學模型的基礎上，將深入研究基於對偶四元數的軌道和姿態確定算法，並進一步研究探索軌道和姿態耦合控制方法，將信息一致性理論套用至微小衛星編隊控制問題中，首先針對相對位置控制，提出一種一致性協同控制方法，適用於空間交會對接及隊形引導等編隊問題；其次針對衛星姿態同步及姿態跟蹤問題，給出了信息一致性的解決方案，適合於編隊衛星自主協同任務作業等方面； 將對偶四元數套用至編隊飛行問題。對偶四元數作為一種新的數學工具已經在機械及視覺領域發揮著作用，它具有能將姿態與位置進行統一描述的能力，非常適合衛星編隊飛行這種對於軌道及姿態都有要求的套用領域，本文根據對偶四元數建立了衛星運動學模型，並給出了更新方法，最後開創性地將其與信息一致性理論進行結合，成功套用至編隊飛行的控制問題，實現了編隊衛星相對運動及姿態的協同控制。設計了一套編隊衛星半物理仿真平台，採用多台PC104系統模擬多個編隊衛星。該系統可以用來開發衛星管理軟體以及驗證編隊控制算法效果，其地面終端及系統間的通信網路可以用來驗證信息一致性算法。本項目“基於對偶四元數的編隊微小衛星相對位，姿測控研究”不僅具有重要的科學意義和實際套用，而且可為相關領域（機器人學，空間站對接及視覺導航）提供理論和技術支持。
