“空间翻滚目标捕获过程中的航天器控制理论与方法”重大项目指南

来自于国家自然科学基金网站:
空间目标的在轨捕获是完成空间飞行器在轨服务与维护的前提,如对卫星进行在轨装配、故障维修、燃料加注、模块更换、技术升级以及辅助机构展开等,都需要首先完成卫星的空间在轨捕获。空间飞行器在轨服务与维护是航天领域未来重要发展方向,目前国际国内都安排了大量的研究计划。航天器控制是空间目标捕获的基础,也是实现在轨服务的关键。由于空间翻滚目标(这里主要包括空间垃圾、失效航天器、失控航天器等)属于非合作目标,它在信息层面上不沟通、机动行为上不配合,其捕获更具挑战性。本重大项目主要围绕空间翻滚目标捕获过程中航天器控制方法展开研究,为实现航天器在轨服务与维护奠定理论基础。

一、科学目标

面向我国航天未来发展的重大需求,围绕空间翻滚目标捕获过程中航天器控制理论与方法的基础问题开展研究,力争实现以下三方面理论突破:与非合作目标交会的航天器多约束智能自主规划与控制理论与方法;空间翻滚目标的位姿估计与跟踪控制理论与方法;变构型航天器联合体的姿轨控制理论与方法。同时实现以下三方面技术突破:航天器相对失效目标的高精度姿态跟踪、超近距离强迫伴飞的控制技术;机械臂抓捕翻滚目标后联合体的快速姿态稳定控制技术;机械臂抓捕翻滚目标后联合体的轨道机动控制技术。

主要理论成果在国际著名等刊物上发表并产生重要影响,技术成果申请系列发明专利。构建空间翻滚目标捕获过程中的航天器控制方法的半实物仿真实验系统,完成地面仿真实验,力争开展相关理论、方法和技术成果的空间演示验证。培养一批我国航天领域高水平的理论和工程技术人才,为我国航天事业做出贡献。

二、研究内容

围绕空间翻滚目标的捕获任务,针对目标交会、位姿跟踪和组合体控制三个具体过程,开展航天器的控制理论和方法研究,主要内容包括如下:

(一)空间翻滚目标捕获过程中的位姿、形态测量、估计与模型。

建立空间翻滚目标的交会与跟踪模型,探索目标、服务星的(相对)位姿、形态等运动信息的测量手段和估计方法,研究不确定环境下目标交会与跟踪模型的参数辨识方法;研究非合作目标航天器捕获后联合体的惯性与质心参数的估计方法,实现空间翻滚目标捕获过程中的位姿、形态、轨道等运动信息的快速准确获取,为实现目标捕获过程中的航天器控制奠定基础。

(二)空间非合作目标交会的多约束智能自主规划与控制。

围绕实现服务星与目标的准确快速交会,研究低燃料消耗、高位置精度和安全接近等多约束条件下服务星的轨迹自主规划方法和智能自主控制方法;探索椭圆轨道非合作目标交会的多约束综合优化控制方法,研究基于视线坐标系的目标跟踪与交会控制方法,为实现服务星对目标的超近距离绕飞、悬停与跟踪打下基础。

(三)空间翻滚目标的超近距离航天器位姿跟踪控制。

围绕实现卫星与目标之间的超近距离姿态跟踪、轨道跟踪、绕飞和悬停,探索具有对空间翻滚目标的高精度姿态跟踪与强迫绕飞控制策略,研究翻滚目标任意方位的最小能量高精度悬停与姿态保持控制方法;研究翻滚目标航天器任意位置的高精度跟踪等控制方法,实现服务星与目标的精准同步飞行,为实现对翻滚目标的捕获提供可靠保障。

(四)空间翻滚目标的捕获策略及组合体的快速稳定控制。

研究有效的翻滚目标捕获策略和方案,探索捕获后组合体的快速消旋与稳定控制方法;研究变结构航天器组合体的轨道机动控制、姿态机动控制和姿态与轨道联合控制等方法,实现对空间翻滚目标的快速和准确捕获,为实现目标的在轨服务与维护提供保障。

(五)航天器控制方法的地面及空间实验验证。

为了验证理论和方法的有效性和可靠性,构建空间翻滚目标捕获的地面半实物仿真实验系统,并完成仿真实验验证和评估。设计空间演示验证方案,结合相关的空间演示验证计划,力争完成对航天器控制新理论与新方法的飞行验证。

三、申请注意事项

(一)申请书的附注说明选择“空间翻滚目标捕获过程中的航天器控制理论与方法”,申请代码1选择F0301(以上选择不准确或未选择的项目申请不予受理)

(二)申请人申请的直接费用预算不得超过1600万元/项(含1600万元/项)。

(三)本项目由信息科学部负责受理。