洛倫茲航天器動力學(xué)分析與控制.pdf

1、帶電航天器在中心引力體磁場中運動時受到洛倫茲力作用，該洛倫茲力可用以實現(xiàn)無推進工質(zhì)消耗的軌道機動。此類帶電航天器稱為洛倫茲航天器。洛倫茲航天器可主動調(diào)節(jié)其表面帶電與周圍磁場相互作用產(chǎn)生洛倫茲力用以進行軌道控制。洛倫茲力的方向始終與當(dāng)?shù)卮艌龇较蚣昂教炱髋c當(dāng)?shù)卮艌鱿鄬λ俣确较虼怪?。盡管存在洛倫茲力作用方向局限性，洛倫茲航天器在空間任務(wù)中的應(yīng)用前景依然廣闊。本文以系統(tǒng)分析設(shè)計洛倫茲航天器空間應(yīng)用為目的，對洛倫茲航天器絕對軌道與相對軌道運動進行

2、建模，并將其應(yīng)用于洛倫茲力輔助懸停、洛倫茲力推進交會與編隊構(gòu)型重構(gòu)等空間任務(wù)。
　　本研究首先假設(shè)地磁場為一隨地球自轉(zhuǎn)的傾斜磁偶極子，基于Lagrange動力學(xué)方程建立了二體與 J2攝動條件下洛倫茲航天器絕對軌道運動動力學(xué)模型。將洛倫茲加速度引入航天器相對運動方程，建立了二體與 J2攝動條件下洛倫茲航天器相對運動動力學(xué)模型，并推導(dǎo)了傾斜圓參考軌道相對運動的近似解析解。與現(xiàn)有相對運動模型相比，該模型更符合地磁場特性，因而精度顯著改進

3、。然后，研究了適用于洛倫茲航天器的相對運動狀態(tài)估計算法?；诮⒌穆鍌惼澓教炱飨鄬\動模型，聯(lián)合視線測量系統(tǒng)與陀螺測量系統(tǒng)，分別設(shè)計了擴展Kalman濾波（Extended Kalman Filter，EKF）與無跡Kalman濾波（Unscented Kalman Filter，UKF）算法。對比分析結(jié)果表明由于洛倫茲力的引入增加了模型非線性程度，UKF估計精度更高。最后，以洛倫茲航天器相對運動模型為基礎(chǔ)，研究了洛倫茲力輔助懸停、洛倫

4、茲力推進交會與洛倫茲航天器編隊飛行等空間應(yīng)用。
　　本研究分析了采用洛倫茲力輔助航天器懸停的動力學(xué)特性與控制方法。建立洛倫茲力輔助懸停動力學(xué)模型用以分析懸停所需開環(huán)控制加速度?；谠撃Ｐ停o出了可實現(xiàn)無推進工質(zhì)消耗懸停的懸停構(gòu)型及所需洛倫茲航天器荷質(zhì)比。對其它懸停構(gòu)型，基于懸停能量最省準(zhǔn)則設(shè)計最優(yōu)開環(huán)控制策略，即給出能量最優(yōu)條件下洛倫茲航天器荷質(zhì)比與推力器推力加速度最優(yōu)軌跡，并對軌道傾角對能量消耗的影響進行分析。此外，設(shè)計了適用于

5、無推進工質(zhì)消耗懸停構(gòu)型的僅用電量作為控制輸入的閉環(huán)反饋控制律。仿真算例驗證了開閉環(huán)控制策略的有效性與正確性，結(jié)果表明對低軌道空間目標(biāo)在其徑向數(shù)公里內(nèi)懸停所需的荷質(zhì)比為0.1 C/kg數(shù)量級。同時，分析了J2攝動對洛倫茲力輔助懸停的影響。分析了基于現(xiàn)有線性化模型設(shè)計的交會策略的局限性，并針對該交會方法設(shè)計了閉環(huán)LQR控制器?；谔岢龅穆鍌惼澓教炱飨鄬\動模型，將洛倫茲力推進的空間交會問題描述成非線性約束優(yōu)化問題。利用Gauss偽譜法(Ga

6、uss Pseudospectral Method，GPM）將該非線性約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為非線性規(guī)劃問題（Nonlinear Programming，NLP），并采用相應(yīng)的優(yōu)化方法進行求解。分交會終端時刻固定與終端時刻自由兩種終端條件進行比較分析，仿真算例驗證了GPM在解決洛倫茲航天器空間交會軌跡優(yōu)化問題的有效性與正確性。同時，分析了J2攝動對洛倫茲航天器空間交會最優(yōu)軌跡的影響。
　　本文基于近圓參考軌道洛倫茲航天器相對運動模型分析

7、了洛倫茲力推進的航天器編隊構(gòu)型建立與重構(gòu)問題。同理，將洛倫茲航天器編隊構(gòu)型建立與重構(gòu)問題描述成非線性約束優(yōu)化問題，采用GPM將其轉(zhuǎn)錄成NLP，并采用優(yōu)化方法求解。終端約束條件分為兩類，一類為唯一指定滿足編隊構(gòu)型條件的末端時刻相對運動狀態(tài)，另一類并不唯一指定末端相對運動狀態(tài)，只需其滿足編隊構(gòu)型條件即可。分別求解兩類約束條件下，以控制能量最優(yōu)為指標(biāo)的實現(xiàn)洛倫茲航天器編隊構(gòu)型建立與重構(gòu)所需的洛倫茲航天器最優(yōu)控制軌跡，并對兩類約束條件下的結(jié)果進