超穩(wěn)定衛(wèi)星編隊(duì)飛行控制方法研究.pdf

1、衛(wèi)星編隊(duì)飛行和Drag-Free(國內(nèi)一般譯作無阻力或無拖曳)技術(shù)是未來空間科學(xué)任務(wù)的關(guān)鍵基礎(chǔ),一方面需要多顆衛(wèi)星協(xié)同完成共同的任務(wù)目標(biāo),另一方面需要Drag-Free技術(shù)消除空間干擾從而為星載的測量設(shè)備提供超低干擾的工作環(huán)境。本學(xué)位論文以超穩(wěn)定編隊(duì)飛行的兩種實(shí)現(xiàn)形式為背景,即高精度的構(gòu)型保持以及超低干擾的星載設(shè)備工作環(huán)境,深入研究了編隊(duì)飛行構(gòu)型保持和重構(gòu)參考軌跡的生成、存在干擾和未知參數(shù)情況下的參考軌跡跟蹤控制以及引入Drag-Fre

2、e技術(shù)后編隊(duì)控制算法的設(shè)計問題,主要內(nèi)容包括:
　　編隊(duì)的星間參考軌跡對燃料消耗和跟蹤誤差有著重要影響,根據(jù)任務(wù)約束設(shè)計合理的參考軌跡是實(shí)現(xiàn)超穩(wěn)定編隊(duì)的前提。本文首先給出了基于Hill方程的構(gòu)型設(shè)計和重構(gòu)問題的解析解。針對Hill方程的局限性,利用星間相對運(yùn)動模型的無攝動形式提出了編隊(duì)最優(yōu)參考軌跡生成方法,該方法將參考軌跡生成問題表示為對應(yīng)的最優(yōu)控制問題,并利用高斯偽譜法將其轉(zhuǎn)化為可數(shù)值求解的非線性規(guī)劃問題,該方法可以有效地處理推

3、力器限制、碰撞規(guī)避和燃料均衡等編隊(duì)涉及到的約束。仿真結(jié)果表明了最優(yōu)參考軌跡生成方法和Hill方程解析解的適用范圍。
　　基于連續(xù)推力的編隊(duì)相對控制問題可以歸為對參考軌跡的跟蹤問題,針對最優(yōu)方法給出的參考軌跡,在存在未知空間擾動、未知主星軌道參數(shù)以及軌道機(jī)動的情況下,利用H∞方法設(shè)計了控制器,結(jié)合極點(diǎn)配置,得到了增益合理易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)的H∞控制器;針對H∞控制器設(shè)計過程中需要反復(fù)調(diào)整權(quán)重函數(shù)且權(quán)重函數(shù)的引入提高了控制器階數(shù)等缺陷,利

4、用Lyapunov方法設(shè)計了自適應(yīng)控制器,理論上該控制器能夠保證跟蹤誤差的最終界小于任意指定的正常數(shù);針對自適應(yīng)控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜且可能產(chǎn)生過高增益的缺點(diǎn),進(jìn)一步設(shè)計了結(jié)構(gòu)清晰且參數(shù)易于調(diào)節(jié)的魯棒自適應(yīng)控制器,并證明此控制器同樣能夠保證任意小的跟蹤誤差最終界。
　　建立了Drag-Free衛(wèi)星的動力學(xué)模型并對衛(wèi)星和質(zhì)量塊受到的干擾進(jìn)行了分析,針對Drag-Free衛(wèi)星的動力學(xué)特點(diǎn),推導(dǎo)了用于控制器設(shè)計的簡化模型,在質(zhì)量塊與外部衛(wèi)星相對

5、速度可測與不可測兩種情況下,利用Lyapunov方法設(shè)計了帶有干擾估計的自適應(yīng)控制器;研究了Drag-Free技術(shù)引入編隊(duì)飛行后對編隊(duì)控制設(shè)計帶來的影響,由于編隊(duì)控制與Drag-Free控制同時影響到衛(wèi)星的軌道運(yùn)動,針對Drag-Free編隊(duì)涉及的時域指標(biāo)和有限頻段內(nèi)的頻域指標(biāo),通過直接分析傳遞函數(shù)和應(yīng)用廣義KYP引理(Generalized Kalman-Yakubovich-Popv Lemma),設(shè)計了靜態(tài)狀態(tài)反饋控制器,仿真結(jié)果

6、表明此控制器可以滿足給定的時域及頻域指標(biāo)。
　　針對編隊(duì)飛行關(guān)鍵技術(shù)的地面演示驗(yàn)證問題,建立了基于多自由度氣浮臺的編隊(duì)飛行地面試驗(yàn)系統(tǒng),此系統(tǒng)可以用于驗(yàn)證編隊(duì)控制算法、制導(dǎo)算法、視覺導(dǎo)航算法、濾波算法、星間通信協(xié)議以及推力器等編隊(duì)所涉及到的技術(shù)。針對試驗(yàn)系統(tǒng)推導(dǎo)了含有干擾和不確定性的動力學(xué)方程,通過與空間編隊(duì)飛行動力學(xué)對比,指出了二者的相似性,從而說明了針對地面試驗(yàn)的制導(dǎo)以及控制方法的設(shè)計原則同樣適用于空間編隊(duì)任務(wù);特別針對編隊(duì)飛