冗余配置航天器推力動態(tài)分配方法研究.pdf

1、推力器是一類能夠用于航天器軌道控制和姿態(tài)控制的特殊執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在大量航天任務(wù)上得以應(yīng)用。為提高航天器的機(jī)動能力和在軌運行可靠性，高性能航天器通常配置了遠(yuǎn)多于控制自由度數(shù)量的推力器，使得由期望控制量到推力器的分配方案并不唯一，控制分配技術(shù)為過驅(qū)動航天器的推力動態(tài)分配提供了一條有效解決途徑。本論文在教育部博士點基金項目“航天器及航天器編隊的動態(tài)控制分配問題研究”和國家國防科工局民用航天“十二五”預(yù)研項目“×××模塊化衛(wèi)星平臺技術(shù)研究”等項目的

2、資助下，圍繞推力器冗余配置航天器控制分配問題，深入探討了軌控優(yōu)先姿軌一體化控制、編隊燃料均衡和推力器負(fù)載均衡以及魯棒推力分配等多方面，提出了多種適應(yīng)不同需求的推力動態(tài)分配算法，取得了如下研究成果：
　　推力在軌動態(tài)分配是影響推力器控制系統(tǒng)性能的關(guān)鍵，傳統(tǒng)上采用的固定列表法面臨存儲數(shù)據(jù)量大、無法處理推力器故障等問題。為此，提出了一種基于凸錐分析的過驅(qū)動航天器離線/在線混合推力動態(tài)分配法，并給出了凸錐在線部分修訂算法。該方法利用由推力

3、頂點張成的凸錐離線制定出所有可能的推力器組合，依據(jù)期望控制量在線選擇推力器組合凸錐并確定組合內(nèi)推力器的開關(guān)狀態(tài)，推力器故障時通過對受影響凸錐的在線修訂實現(xiàn)故障隔離。該方法采用凸錐分析數(shù)學(xué)手段離線制定列表，能夠有效應(yīng)對復(fù)雜推力器布局的列表制定，顯著降低了在軌計算量，且通過故障推力器影響凸錐的在線修訂有效應(yīng)對在軌故障。最后，同燃料最優(yōu)、基于代數(shù)法的查表法等進(jìn)行仿真對比，結(jié)果表明燃料使用效率基本一致的前提下，平均分配誤差降低了26.85％，驗

4、證了所提方法的可行性和有效性。
　　推力器是一類既能用于軌道控制又可用于姿態(tài)控制的特殊執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如何利用推力器進(jìn)行航天器的軌道和姿態(tài)控制成為高性能航天器的關(guān)鍵問題。為進(jìn)一步降低在軌燃料消耗，提出了一種優(yōu)先滿足軌控并在不消耗額外燃料情況下盡可能提供姿控力矩的軌控優(yōu)先姿軌一體化控制策略，給出了基于可達(dá)集的軌控優(yōu)先姿軌一體化推力器分配方法，分別設(shè)計了基于可達(dá)集修正因子的凸松弛優(yōu)化算法，以及依據(jù)效率矩陣和推力器布局特性的降維優(yōu)化求解算法。

5、在保證軌道控制期望控制力的前提下，盡可能實現(xiàn)所需的控制力矩，有效降低了燃料消耗量。最后，對所提算法進(jìn)行了數(shù)學(xué)仿真，驗證了算法的可行性和有效性。
　　推力器相關(guān)的各種不確定性會導(dǎo)致燃耗增加、姿軌改變、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時間增加、控制器性能降低等問題。以最小結(jié)構(gòu)奇異值定量刻畫包含冗余配置推力器的系統(tǒng)魯棒性能，探索了具有魯棒性能的冗余推力器布局設(shè)計的可行性，并采用橢球不確定集描述推力器系統(tǒng)的多種不確定性，將不確定優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為確定性優(yōu)化模型，提出

6、了一種基于最優(yōu)化的航天器魯棒推力分配方法，優(yōu)化了求解效率，提高了對推力器不確定性的魯棒性能。仿真結(jié)果表明在控制效率矩陣具有5%-20%的隨機(jī)誤差時，累積分配誤差和最大分配誤差可以減小15%以上。
　　推力器是實現(xiàn)航天器編隊控制進(jìn)而完成協(xié)同任務(wù)的關(guān)鍵，編隊任務(wù)壽命取決于燃料消耗最大的成員航天器壽命，需要在編隊協(xié)同控制中考慮燃料平衡問題。將編隊成員航天器作為一類提供三軸控制的“虛擬推力器”，提出了一種航天器編隊燃料均衡控制方法和成員航