洛倫茲航天器軌道懸停及其姿態(tài)控制方法研究.pdf

1、洛倫茲航天器，作為一種新概念航天器，通過改變其自身表面的電荷量，在地磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)切割磁感線產(chǎn)生變化的洛倫茲力，在無工質(zhì)消耗軌道機(jī)動(dòng)、控制加速度誤差補(bǔ)償和衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整等方面具有很大的應(yīng)用潛力和發(fā)展空間。本文基于航天器懸停工程任務(wù)，研究了洛倫茲航天器作為伴隨衛(wèi)星在整個(gè)任務(wù)過程中需要的軌道姿態(tài)控制方法。主要研究工作和主要成果如下：
　　1.基于航天器二體相對(duì)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程，引入帶電航天器在地磁場中受到洛倫茲力加速度項(xiàng)，建立了洛倫茲力輔助

2、懸停動(dòng)力學(xué)模型。通過數(shù)值仿真研究了地球均勻電場和J2攝動(dòng)條件對(duì)航天器相對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響，分析了洛倫茲力輔助懸停的可行性。
　　2.分別對(duì)圓參考軌道和橢圓參考軌道、帶電與非帶電航天器的懸停特性進(jìn)行分析。研究并改進(jìn)了一種基于能量最優(yōu)的電磁力輔助懸?？刂品椒?。分析了軌道半長軸、偏心率、懸停構(gòu)型、J2項(xiàng)攝動(dòng)等因素對(duì)航天器懸停周期速度增量的影響，以及洛倫茲力輔助懸停節(jié)約工質(zhì)消耗的效果。
　　3.研究了洛倫茲航天器開展空間任務(wù)前的軌道機(jī)動(dòng)最

3、優(yōu)控制問題?；诟咚箓巫V法，分析了利用洛倫茲力作為推力實(shí)現(xiàn)無工質(zhì)消耗軌道機(jī)動(dòng)的可行性，并以控制能量最優(yōu)為指標(biāo)設(shè)計(jì)了軌道機(jī)動(dòng)的過程軌跡。針對(duì)軌道機(jī)動(dòng)和軌道懸停過程中存在的外部擾動(dòng)，J2攝動(dòng)及各種誤差影響，設(shè)計(jì)了基于LQR的閉環(huán)跟蹤控制器和非線性積分滑?？刂破?，保證伴隨航天器在軌道機(jī)動(dòng)和懸停過程中的穩(wěn)定性。
　　4.利用四元數(shù)描述了洛倫茲航天器的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)情況，建立了姿態(tài)誤差動(dòng)力學(xué)模型，研究了其對(duì)目標(biāo)航天器的全狀態(tài)趨同的控制方法?？紤]目

4、標(biāo)航天器為非合作目標(biāo)，設(shè)計(jì)非線性觀測器估計(jì)其角速度，驗(yàn)證估計(jì)值可以逐漸趨近于真實(shí)值。利用一種新型解決二次型最優(yōu)控制問題的θ-D方法，研究了存在洛倫茲力矩?cái)_動(dòng)和模型不確定性時(shí)的姿態(tài)跟蹤問題。
　　5.研究了洛倫茲航天器在軌服務(wù)期間的高精度姿態(tài)穩(wěn)定與姿態(tài)調(diào)整控制問題。利用預(yù)測濾波方法來確定模型誤差和外界擾動(dòng)并對(duì)其進(jìn)行了補(bǔ)償，并基于航天器姿態(tài)誤差模型和李雅普諾夫穩(wěn)定理論設(shè)計(jì)了一種退步控制方法。實(shí)現(xiàn)了洛倫茲航天器大角度快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)，滿足控