太陽帆航天器剛?cè)狁詈献藨B(tài)控制與軌跡優(yōu)化研究.pdf

1、隨著航天領(lǐng)域日新月異的發(fā)展，人類的足跡也從地球家園邁向了茫茫太空。太陽帆技術(shù)作為一類新穎的航天技術(shù)，為人類深入探索太陽系以至實現(xiàn)星際航行提供了廣闊的前景。太陽帆是一種利用太陽光壓產(chǎn)生持續(xù)推力的推進(jìn)器，可以給航天器提供連續(xù)小推力，且自身無需攜帶大量燃料，適合于運行在一些非傳統(tǒng)任務(wù)軌道上，可用于極地高緯度地區(qū)的成像和實時通訊、類地行星的探測、采樣返回等科學(xué)任務(wù)。因此在深空探測和星際航行等航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，近年來得到了國際航天界廣泛

2、關(guān)注。
　　 太陽帆航天器的顯著特點是其大尺度薄膜帆面、支撐桿等柔性結(jié)構(gòu)與姿態(tài)動力學(xué)之間強(qiáng)耦合、非線性的關(guān)系。即姿態(tài)調(diào)整會誘發(fā)柔性結(jié)構(gòu)振動，進(jìn)而影響航天器的推力大小和方向。此外，相對于傳統(tǒng)航天器，太陽帆航天器轉(zhuǎn)移至目標(biāo)軌道的周期相對較長，需要根據(jù)任務(wù)優(yōu)化太陽帆航天器在初始軌道和目標(biāo)軌道之間的轉(zhuǎn)移軌跡。因此，開展太陽帆航天器的動力學(xué)建模與姿態(tài)控制研究，以及太陽帆航天器轉(zhuǎn)移軌跡的優(yōu)化研究具有重要的現(xiàn)實意義和較高的理論價值。
　

3、　 本文主要研究了太陽帆航天器的姿態(tài)動力學(xué)建模與控制，及其軌道轉(zhuǎn)移的優(yōu)化問題。基于目前典型的太陽帆構(gòu)型及其剛體動力學(xué)模型，結(jié)合剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)的研究進(jìn)展，分別研究了太陽帆航天器線性姿態(tài)動力學(xué)模型和非線性姿態(tài)動力學(xué)模型，以及相應(yīng)的姿態(tài)控制方法。針對太陽帆航天器軌跡優(yōu)化問題的特點，結(jié)合進(jìn)化算法和多目標(biāo)方法最新的研究成果，對太陽帆航天器實現(xiàn)不同任務(wù)的最優(yōu)轉(zhuǎn)移軌跡問題進(jìn)行了研究。
　　 現(xiàn)有文獻(xiàn)研究表明，太陽帆航天器俯仰軸剛體動力學(xué)模型

4、無法準(zhǔn)確反映其柔性結(jié)構(gòu)特征。本文第二章在分析了分別采用萬向節(jié)控制和反作用噴嘴控制的太陽帆航天器剛體動力學(xué)響應(yīng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合混合坐標(biāo)法的思想，建立了具有剛?cè)狁詈咸卣鞯奶柗教炱髯藨B(tài)動力學(xué)模型。為了抑制太陽帆航天器在姿態(tài)調(diào)整過程中誘發(fā)的柔性結(jié)構(gòu)振動，保證其姿態(tài)調(diào)整的精確性和穩(wěn)定性，針對建立的太陽帆航天器剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型，設(shè)計了魯棒H∞控制器，實現(xiàn)了太陽帆航天器漸近跟蹤目標(biāo)姿態(tài)角，同時能夠魯棒抑制柔性結(jié)構(gòu)的誘發(fā)振動。
　　 完全小

5、角度近似無法準(zhǔn)確描述太陽帆航天器的動力學(xué)特性。本文第三章首先建立了采用萬向節(jié)力矩控制和反作用噴嘴力控制同時作用的太陽帆航天器俯仰軸非線性剛體動力學(xué)模型，并通過混合坐標(biāo)法，推導(dǎo)得到太陽帆航天器剛?cè)狁詈戏蔷€性姿態(tài)動力學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，對姿態(tài)角變化率、萬向節(jié)角度及其變化率采用局部小角度近似，并通過將該模型轉(zhuǎn)化為相應(yīng)形式的矩陣二階系統(tǒng)，進(jìn)而滿足一系列條件，將太陽帆航天器剛?cè)狁詈戏蔷€性姿態(tài)動力學(xué)模型轉(zhuǎn)化為一類Polytopic LPV系統(tǒng)。然后

6、針對該系統(tǒng)設(shè)計線性狀態(tài)反饋控制律，并把該控制律參數(shù)的求解轉(zhuǎn)化為LMI約束下的凸優(yōu)化問題。最后由太陽帆航天器跟蹤目標(biāo)姿態(tài)角的仿真算例驗證了該方法的有效性。
　　 太陽帆航天器自身攜帶的能量有限，其姿態(tài)調(diào)整過程具有周期長，幅度小的特點。針對該特點，本文第四章基于直接打靶法，采用分段線性插值方法逼近連續(xù)時間的姿態(tài)角變化，進(jìn)而結(jié)合太陽帆力學(xué)模型和軌跡優(yōu)化的特點，將太陽帆軌道轉(zhuǎn)移的最優(yōu)控制問題轉(zhuǎn)化為非線性規(guī)劃的參數(shù)優(yōu)化問題。然后分別采用差

7、分進(jìn)化算法和改進(jìn)的帝國競爭算法對太陽帆航天器完成多種任務(wù)的轉(zhuǎn)移軌跡進(jìn)行優(yōu)化，并比較分析了優(yōu)化結(jié)果。
　　 太陽帆航天器軌跡優(yōu)化的特點是目標(biāo)與約束之間具有制約關(guān)系，采用多目標(biāo)優(yōu)化的相關(guān)理論可以處理此類問題。本文第五章提出了一種基于非支配分類的宇宙擴(kuò)縮（Nondominated Sorting Big Bang-Big Crunch，NSBBBC）方法，通過采用閾值比較選擇策略和精英保持策略以及一種無懲罰參數(shù)的約束處理方法，對太陽帆