《主动碎片清除微纳GNC系统技术》

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该项目属于航天器控制技术领域。

急剧增多的空间碎片对在轨卫星的碰撞威胁日益加剧,严重制约空间应用效能,主动碎片清除成为保障人类可持续利用空间的紧迫任务。微纳卫星作为更灵活、高效的清除工具载体,2010年起,国外先后实施了Prisma、e.Deorbit等基于微纳卫星的主动碎片清除研究计划。

翻滚碎片的自主逼近与捕获是主动清除的关键环节。由于空间碎片构型复杂且自由翻滚,空间光照等环境时变强干扰,微纳卫星的星上资源又严重受限,使得面向主动碎片清除的微纳卫星制导、导航与控制(GNC)系统技术成为关系任务成败的核心难题。针对该难题,在多项国家计划与基金支持下,项目组经过多年攻关,形成多项发明成果:

1)翻滚目标的自适应相对导航与逼近路径动态规划方法针对资源受限下的远距离相对导航、翻滚目标的超近距离视觉测量、多障碍物翻滚随动下的时变逼近路径规划问题,发明了可观度增强的仅测角相对导航、翻滚目标鲁棒特征跟踪与高效匹配、简化相对运动描述与同伦等效路径优化等方法,被动成像相对导航距离从200m扩展到15km,可视觉测量目标的动态范围由1°/s提升到3.2°/s、时变逼近路径规划效率提升15%。

2)翻滚目标逼近与捕获的姿轨耦合控制方法针对逼近与跟踪过程的路径强时变与姿轨耦合、模型不确定与强干扰,以及捕获过程的组合体瞬态变连接等问题,发明了动态预测安全接近与姿轨耦合跟踪鲁棒控制方法、捕获组合体的不确定影响衰减姿态控制方法,3.2°/s翻滚碎片的姿轨同步跟踪精度分别优于0.25°、0.023m,捕获后组合体的姿态稳定度优于0.002°/s。

3)微纳敏感器与执行机构的深度融合与集成技术针对碎片清除微纳卫星对敏感器与执行机构的高集成、高效能需求,发明了多目复合宽量程立体视觉导航敏感器、多源融合估计与补偿的MEMS测量组合、低扰动高集成三轴微飞轮,同等精度与输出能力下,质量、功耗大幅降低。

该项目共获授权发明专利34项,软件著作权6项,出版专著2部,发表SCI/EI索引论文75篇,其中ESI热点论文1篇,ESI高被引论文2篇。部分理论成果先后被《Spacecraft Formation Flying》和《SpaceEngineering》两本国外航天器控制领域权威教材引用。

该项目在中国首次空间维护科学实验任务-试验卫星七号,以及天舞一号、NS-1网络双星等微纳航天器中整体应用;各项方法和产品,先后应用到遥感卫星二十二号和二十七号、和德一号等型号姿轨控分系统中,大幅提升了中国航天器的精确测量、自主规划、耦合控制、融合集成等能力。

该项目中的微纳测量与控制产品已型谱化,年配套超200套,近三年总产值超6000万元。

多项技术和产品跨行业应用在全球首款水陆两用无人机U650、直升机主动防护、弹道修正引信等系统中,大幅提升了精确自主测量与控制能力,经济效益显著,产业化前景广阔。

成果说明

1)该成果在中国首次空间维护科学实验任务-SY-7飞行器、中国首个基于微纳卫星的碎片清除技术验证飞行器-TW-1、中国首次新型空间网络在轨验证任务-“NS-1网络微小飞行器”中的整体应用: 该成果在中国首次空间维护科学实验任务-SY-7飞行器研制和在轨飞行验证任务中得到整体应用,有效解决了非合作目标自主逼近与捕获过程中的自主相对导航、动态规划与鲁棒控制难题,大幅提升了中国在轨维护与服务飞行器的自主操控能力和集成水平; 该成果在中国首个基于微纳卫星的碎片清除技术验证飞行器-TW-1任务中成功应用,有效解决了

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