衛(wèi)星編隊(duì)相對(duì)狀態(tài)確定與控制算法研究.pdf

1、與傳統(tǒng)的單顆大衛(wèi)星相比，衛(wèi)星編隊(duì)的功能更強(qiáng)大、結(jié)構(gòu)更靈活，是未來(lái)航天發(fā)展的必然趨勢(shì)。而衛(wèi)星編隊(duì)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)依賴于編隊(duì)衛(wèi)星之間的相對(duì)狀態(tài)的確定和控制精度，星間相對(duì)狀態(tài)包括相對(duì)位置、速度和相對(duì)姿態(tài)和姿態(tài)角速度。本文以“微小衛(wèi)星編隊(duì)飛行演示驗(yàn)證方案論證”為研究背景，研究了基于無(wú)線電相對(duì)測(cè)量的星間相對(duì)狀態(tài)確定和控制算法。具體工作如下：
　　首先，著重研究了編隊(duì)衛(wèi)星相對(duì)軌道和姿態(tài)自主確定方法。針對(duì)Hill方程的不足，推導(dǎo)了一組包含J2項(xiàng)攝動(dòng)的

2、相對(duì)軌道運(yùn)動(dòng)方程。對(duì)相對(duì)軌道確定，星間測(cè)量采用無(wú)線電測(cè)量距離和方位角方式，并設(shè)計(jì)了Unscented卡爾曼濾波器，對(duì)相對(duì)位置、速度進(jìn)行估計(jì)；對(duì)相對(duì)姿態(tài)確定，由衛(wèi)星自身攜帶的姿態(tài)敏感器實(shí)現(xiàn)單星高精度姿態(tài)確定，利用星間通信鏈路進(jìn)行信息交互，通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算獲得星間相對(duì)姿態(tài)。最后通過(guò)仿真表明，這兩種方法皆能提供較為精確的相對(duì)狀態(tài)；
　　其次，針對(duì)編隊(duì)飛行衛(wèi)星隊(duì)形初始化控制設(shè)計(jì)了相對(duì)軌道模型預(yù)測(cè)控制器。模型預(yù)測(cè)控制算法是一種在線滾動(dòng)優(yōu)化

3、的閉環(huán)控制算法，能夠較好地控制存在狀態(tài)約束、控制約束等各種約束控制問(wèn)題，并且模型預(yù)測(cè)優(yōu)化問(wèn)題可以轉(zhuǎn)換為在線求解線性規(guī)劃問(wèn)題，最后通過(guò)仿真驗(yàn)證其有效性；
　　最后，考慮到多數(shù)編隊(duì)任務(wù)對(duì)星間相對(duì)姿態(tài)控制精度有著較高的要求，本文以雙星編隊(duì)為例，在前面兩章的研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于目標(biāo)視線的衛(wèi)星編隊(duì)相對(duì)姿態(tài)完全分布式變結(jié)構(gòu)協(xié)同控制律，并利用李雅普諾夫原理證明了控制律的穩(wěn)定性。仿真結(jié)果表明，這該控制律能夠在存在各種干擾力矩及衛(wèi)星模型的不確定性