● 摘要
由于空间环境的不可预知性，在轨运行的卫星可能会因为突然受到一种较大的外界干扰，或是因为某种意想不到的原因而处于姿态失控的状态（即处于姿态翻滚的状态），为了拯救这类失控的翻滚卫星，使其恢复，重新正常工作，本文将已执行完预定任务的小型上面级作为在轨服务航天器，对失控卫星进行在轨营救，针对服务航天器与失控卫星在自主交会对接过程中的控制问题，考虑由对接约束所引起的相对轨道和姿态之间的耦合，重点研究服务航天器与失控卫星交会对接的轨迹规划与跟踪、姿态同步、相对轨道和姿态一体化控制。本文的主要研究内容与成果如下：
1. 失控卫星的对接端口在空间中的运动规律，以及服务航天器与失控卫星自主交会对接的相对轨道和姿态控制策略。基于失控卫星的姿态动力学模型，根据失控卫星的转动惯量特性，分析了三类情况下空间环境干扰力矩对失控卫星姿态运动的影响。进而从角动量的角度出发，根据角动量守恒定律，依据失控卫星的对接端口方向与其转动角速度矢量之间的几何位置关系，分析了三种情况下翻滚卫星的对接端口在空间中的运动规律。在此基础上，依据每种情况下翻滚卫星的对接端口在空间中的运动规律，分别提出了服务航天器与失控卫星自主交会对接的控制策略。
2. 服务航天器与失控卫星交会对接的实时在线路径规划与实时轨迹跟踪。针对终端状态时变的实时在线轨迹规划与跟踪问题，基于服务航天器对失控卫星的相对运动方程，分析了路径规划过程中的对接约束与安全性约束，进而建立了引入时变的终端约束的相对运动方程，并应用最优控制理论，实时在线规划得到一种近似的最优路径。进而先后利用复合控制方法和新型积分滑模控制方法分别设计了实时轨迹跟踪控制律，基于复合控制的轨迹跟踪原理简单，在工程上易于实现，但其鲁棒性不强；而基于新型积分滑模的轨迹跟踪对未知外界扰动、系统不确定性具有较好的鲁棒性，但其控制输出存在一定程度的震颤，在工程应用方面受到限制。
3. 服务航天器与失控卫星交会对接的姿态同步控制。针对服务航天器对失控卫星的姿态进行同步的快速跟踪问题，首先，分析了服务航天器与失控卫星进行姿态同步的目标，通过建立服务航天器对失控卫星的相对姿态运动学与动力学模型，将服务航天器对失控卫星的姿态同步问题转换为相对姿态控制问题。然后，应用复合控制理论，基于相对姿态动力学模型，设计了反馈控制律和补偿控制律，并从理论上分析了该控制律对测量误差（测量噪声等因素）的鲁棒性。应用快速终端滑模控制理论，设计了基于快速终端滑模的姿态同步控制律，分析了姿态同步控制律的稳定收敛问题，该姿态同步控制律具有较高的跟踪精度，也具有较好的过渡过程。
4. 服务航天器对失控卫星的相对轨道和姿态一体化控制。针对服务航天器对失控卫星的相对轨道和姿态一体化控制问题，建立了相对轨道和姿态一体化动力学模型，考虑对接约束所产生的相对轨道和姿态耦合，应用快速终端滑模控制理论和有限时间控制思想，分别设计了相对轨道和姿态一体化控制律。这两种相对轨道和姿态一体化控制律都可实现对期望目标的有效跟踪，其中，基于快速终端滑模的相对轨道和姿态一体化控制律，具有较快的收敛速度，但其相对轨道的控制输出中存在小幅度震颤；基于有限时间的相对轨道和姿态一体化控制律，可保证相对轨道和姿态在有限时间内收敛至期望的状态，并从理论上分析了该一体化控制律的有限时间收敛特性。
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