非合作目标软捕获后的动力学参数无激励辨识

doi:10.7527/S1000-6893.2022.28342

固体力学与飞行器总体设计

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非合作目标软捕获后的动力学参数无激励辨识

徐升, 褚明(), 蔺绍奇, 常睿, 孙汉旭

北京邮电大学现代邮政学院（自动化学院），北京　100876

收稿日期:2022-12-01 修回日期:2023-02-20 接受日期:2023-05-22 出版日期:2023-10-15 发布日期:2023-05-26
通讯作者: 褚明 E-mail:chuming_bupt@bupt.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(51875046)

Dynamic parameter identification without excitation for non-cooperative targets post soft capture

Sheng XU, Ming CHU(), Shaoqi LIN, Rui CHANG, Hanxu SUN

School of Modern Post （School of Automation），Beijing University of Posts and Telecommunications，Beijing 　100876，China

Received:2022-12-01 Revised:2023-02-20 Accepted:2023-05-22 Online:2023-10-15 Published:2023-05-26
Contact: Ming CHU E-mail:chuming_bupt@bupt.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(51875046)

摘要/Abstract

摘要：

针对非合作目标动力学参数的在轨辨识问题，提出一种基于软对接机构状态感知的无激励辨识方法。当非合作目标被捕获后，复合体进入冲量缓冲和卸载阶段，软对接机构则处于无激励运动响应状态。首先，分析搭载软对接机构的主航天器运动学，建立包含非合作目标动力学参数的复合体动量方程，进而完成复合体绝对动量增量方程的构建。其次，针对求解动力学参数时存在的奇异问题，设计一种矩阵连续增维的方法实现避奇异求解，并通过矩阵条件数求解完成终止条件度量。最后，仅需在轨感知搭载软对接机构主航天器的广义坐标和广义速度，即可实现非合作目标动力学参数的辨识。数值仿真实验表明，提出的非合作目标动力学参数在轨无激励辨识方法具有求解速度快、辨识周期短、对基座姿态影响小和辨识精度高的优点。

关键词: 绝对动量增量, 软捕获, 无激励, 非合作目标, 避奇异

Abstract:

To address the problem of dynamic parameter identification on orbit for non-cooperative targets， a non-excitation identification method based on the state perception of soft-docking mechanism is proposed. When non-cooperative targets are captured， the compound system is in the phase of buffering and unloading collision impulse， and the soft-docking mechanism is in the state of non-excitation response. Firstly， the kinematics of the main spacecraft equipped with the soft-docking mechanism is analyzed， the momentum equation of the compound system with the dynamics parameters of the non-cooperative targets is established， and then an absolute momentum increment equation of the compound system is constructed. Secondly， aiming at the singularity problem in solving dynamic parameters， a method of continuous dimension increasing of matrix is designed to avoid singularity， and the measurement of the termination condition is completed through solving matrix condition number. Finally， based on the generalized coordinates and generalized velocities of the main spacecraft equipped with soft-docking mechanism through on-orbit perception， the dynamic parameters of the non-cooperative targets can be identified. Numerical simulation results show that the proposed method has the advantages of faster solution， short identification period， small impact on base attitude and high identification accuracy.

Key words: absolute momentum increment, soft capture, non-excitation, non-cooperative targets, singularity avoidance

中图分类号:

V448.2

徐升, 褚明, 蔺绍奇, 常睿, 孙汉旭. 非合作目标软捕获后的动力学参数无激励辨识[J]. 航空学报, 2023, 44(19): 228342-228342.

Sheng XU, Ming CHU, Shaoqi LIN, Rui CHANG, Hanxu SUN. Dynamic parameter identification without excitation for non-cooperative targets post soft capture[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(19): 228342-228342.

图/表 20

图1

图2

图3

图4

表1

主航天器动力学参数

$i$	$m i / k g$	$I i / k g ⋅ m 2$			$d i / m$	$r i / m$
$i$	$m i / k g$	X方向	Y方向	Z方向	$d i / m$	$r i / m$
1	200	55	55	50	6.71	1.51
2	1.9	0.03	0.005	0.03	0	0
3	1.7	0.015	0.01	0.005	0	0
4	1.7	0.02	0.02	0.004	0.21	0.21
5	6	0.355	0.355	0.2	0.22	0.13

表1

表2

非合作目标动力学参数

参数	数值
$m t d / k g$	2.0
$I ̑ t d / k g ⋅ m 2$	0.05，0.05，0.05，-0.01，-0.01，-0.01
$r t d / m$	0.05，0.05，0.10

表2

表3

非合作目标抓捕前动量

$P t 0 / k g ⋅ m · s - 1$			$L t 0 / J ⋅ s$
X方向	Y方向	Z方向	X方向	Y方向	Z方向
0.05	0.05	0.05	0.018 6	0.081 4	0.050

表3

图5

图6

图7

图8

图9

图10

图11

图12

图13

图14

图15

图16

表4

辨识动力学参数相对误差

辨识参数	相对误差 $R s$
辨识参数	方法1	方法2
$m t / 10 - 6 %$	1.9	17
$r t / %$	0.001 2	0.004 4
$I ̑ t / %$	0.046	0. 33

表4

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