冗余配置航天器推力動(dòng)態(tài)分配方法研究.pdf

1、推力器是一類(lèi)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(dòng)能力和在軌運(yùn)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(guò)驅(qū)動(dòng)航天器的推力動(dòng)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(diǎn)基金項(xiàng)目“航天器及航天器編隊(duì)的動(dòng)態(tài)控制分配問(wèn)題研究”和國(guó)家國(guó)防科工局民用航天“十二五”預(yù)研項(xiàng)目“×××模塊化衛(wèi)星平臺(tái)技術(shù)研究”等項(xiàng)目的

2、資助下，圍繞推力器冗余配置航天器控制分配問(wèn)題，深入探討了軌控優(yōu)先姿軌一體化控制、編隊(duì)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(dòng)態(tài)分配算法，取得了如下研究成果：
　　推力在軌動(dòng)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(chǔ)數(shù)據(jù)量大、無(wú)法處理推力器故障等問(wèn)題。為此，提出了一種基于凸錐分析的過(guò)驅(qū)動(dòng)航天器離線(xiàn)/在線(xiàn)混合推力動(dòng)態(tài)分配法，并給出了凸錐在線(xiàn)部分修訂算法。該方法利用由推力

3、頂點(diǎn)張成的凸錐離線(xiàn)制定出所有可能的推力器組合，依據(jù)期望控制量在線(xiàn)選擇推力器組合凸錐并確定組合內(nèi)推力器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，推力器故障時(shí)通過(guò)對(duì)受影響凸錐的在線(xiàn)修訂實(shí)現(xiàn)故障隔離。該方法采用凸錐分析數(shù)學(xué)手段離線(xiàn)制定列表，能夠有效應(yīng)對(duì)復(fù)雜推力器布局的列表制定，顯著降低了在軌計(jì)算量，且通過(guò)故障推力器影響凸錐的在線(xiàn)修訂有效應(yīng)對(duì)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(duì)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(yàn)

4、證了所提方法的可行性和有效性。
　　推力器是一類(lèi)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(wèn)題。為進(jìn)一步降低在軌燃料消耗，提出了一種優(yōu)先滿(mǎn)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(jì)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(shí)現(xiàn)所需的控制力矩，有效降低了燃料消耗量。最后，對(duì)所提算法進(jìn)行了數(shù)學(xué)仿真，驗(yàn)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(huì)導(dǎo)致燃耗增加、姿軌改變、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)間增加、控制器性能降低等問(wèn)題。以最小結(jié)構(gòu)奇異值定量刻畫(huà)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(jì)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(wèn)題轉(zhuǎn)化為確定性?xún)?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(duì)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(shí)，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(shí)現(xiàn)航天器編隊(duì)控制進(jìn)而完成協(xié)同任務(wù)的關(guān)鍵，編隊(duì)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(duì)協(xié)同控制中考慮燃料平衡問(wèn)題。將編隊(duì)成員航天器作為一類(lèi)提供三軸控制的“虛擬推力器”，提出了一種航天器編隊(duì)燃料均衡控制方法和成員航