基于大氣阻力微納衛(wèi)星編隊(duì)軌道與姿態(tài)控制研究.pdf

1、隨著微納衛(wèi)星技術(shù)的蓬勃發(fā)展，由多顆微納衛(wèi)星協(xié)同工作構(gòu)成微納衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)無論在研發(fā)設(shè)計(jì)、成本消耗還是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等方面均優(yōu)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的單顆大衛(wèi)星。微納衛(wèi)星編隊(duì)飛行技術(shù)成為了近年來空間研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。其中，衛(wèi)星自主控制技術(shù)是微納衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。微納衛(wèi)星的姿態(tài)穩(wěn)定和編隊(duì)構(gòu)型完整是衛(wèi)星編隊(duì)正常工作的前提和基礎(chǔ)。傳統(tǒng)控制執(zhí)行系統(tǒng)一般為主動(dòng)力控制系統(tǒng)，要求衛(wèi)星攜帶一定推進(jìn)燃料。主動(dòng)力控制系統(tǒng)增加了小衛(wèi)星整體設(shè)計(jì)、研發(fā)成本和發(fā)射風(fēng)險(xiǎn)等難度。利

2、用大氣阻力控制衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)屬于被動(dòng)力控制。不需要推進(jìn)裝置和推進(jìn)劑，符合小衛(wèi)星體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)。本文基于被動(dòng)力控制系統(tǒng)無污染、成本低等優(yōu)勢，對(duì)大氣阻力微納衛(wèi)星編隊(duì)軌道運(yùn)動(dòng)控制及衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定控制問題進(jìn)行了研究。
　　首先，本文對(duì)大氣阻力控制微納衛(wèi)星編隊(duì)軌道運(yùn)動(dòng)的理論基礎(chǔ)進(jìn)行了研究。建立了一個(gè)完整的非線性動(dòng)力學(xué)相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型，分析了衛(wèi)星編隊(duì)徑向與沿航跡向相對(duì)運(yùn)動(dòng)耦合關(guān)系。然后，研究了近地軌道環(huán)境攝動(dòng)力對(duì)編隊(duì)構(gòu)形的影響。介紹了三種

3、經(jīng)典的編隊(duì)設(shè)計(jì)構(gòu)形以及相應(yīng)的飛行任務(wù)。設(shè)計(jì)了基于自適應(yīng)滑?？刂圃淼拇髿庾枇Ψ蔷€性衛(wèi)星軌道控制系統(tǒng)。分別對(duì)三種編隊(duì)軌道保持控制和構(gòu)形重構(gòu)控制進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，在外界擾動(dòng)以及初始誤差存在情況下，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)構(gòu)形保持和構(gòu)形重構(gòu)控制性能良好，具有較強(qiáng)的魯棒性。
　　本文繼續(xù)深入研究滑?？刂评碚?，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于 Terminal滑模控制理論非線性編隊(duì)軌道構(gòu)形控制系統(tǒng)。利用 Terminal滑模控制原理在有限時(shí)間內(nèi)收斂狀態(tài)跟

4、蹤誤差至零的特點(diǎn)，提高控制器實(shí)現(xiàn)編隊(duì)控制的時(shí)效性?？紤]衛(wèi)星相對(duì)運(yùn)動(dòng)非線性項(xiàng)以及外界攝動(dòng)干擾情況下，對(duì)基于大氣阻力 Terminal滑?？刂葡到y(tǒng)的控制性能進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，在有限時(shí)間內(nèi)，衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)能夠迅速達(dá)到收斂狀態(tài)，控制系統(tǒng)魯棒性良好。
　　最后，本文基于大氣阻力控制衛(wèi)星姿態(tài)進(jìn)行了相關(guān)研究。以歐拉角描述方法建立了衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)方程。設(shè)計(jì)了在衛(wèi)星上安裝兩對(duì)反向氣動(dòng)板的衛(wèi)星配置，以氣動(dòng)板的轉(zhuǎn)角作為控制輸入量。由于大氣阻力受自