衛(wèi)星編隊(duì)飛行動(dòng)力學(xué)與控制研究.pdf

1、衛(wèi)星編隊(duì)飛行是空間技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)創(chuàng)新，代表了空間系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要方向。本文選擇衛(wèi)星編隊(duì)飛行作為研究對(duì)象，研究了編隊(duì)衛(wèi)星間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)描述、衛(wèi)星編隊(duì)穩(wěn)定的條件及穩(wěn)定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的改進(jìn)描述、攝動(dòng)引起的穩(wěn)定編隊(duì)模型的修正、編隊(duì)隊(duì)形的保持以及隊(duì)形機(jī)動(dòng)等問題，并且進(jìn)行了數(shù)值仿真驗(yàn)證。
　　編隊(duì)衛(wèi)星間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)描述研究。首先介紹了相對(duì)運(yùn)動(dòng)的四種描述方程：Hill方程及其改進(jìn)方程、T-H方程和軌道根數(shù)描述方程。然后分別對(duì)圓參考軌道和橢圓參考軌道兩種

2、情況下的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論：圓參考軌道的穩(wěn)定編隊(duì)構(gòu)形是規(guī)則曲線——橢圓，而橢圓參考軌道的穩(wěn)定相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡是不規(guī)則的閉合空間曲線。最后通過數(shù)值仿真算例對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的四個(gè)描述方程進(jìn)行了誤差分析，并且按自主性（是否需要輸入）、是否存在長期誤差、適用范圍等進(jìn)行了總結(jié)。
　　編隊(duì)的穩(wěn)定條件及穩(wěn)定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的改進(jìn)描述研究。采用軌道半長軸的一階展開形式把軌道根數(shù)描述的穩(wěn)定繞飛條件與相對(duì)狀態(tài)描述的穩(wěn)定繞飛條件聯(lián)系起來。在此基礎(chǔ)上增

3、加半長軸的展開項(xiàng)數(shù)并保留二階項(xiàng)，建立了相對(duì)狀態(tài)描述的二階精度的穩(wěn)定繞飛條件。當(dāng)滿足二階精度的穩(wěn)定繞飛條件時(shí)，原來的相對(duì)運(yùn)動(dòng)描述方程是發(fā)散的。為了解決該問題，在原來的描述方程上增加一個(gè)修正項(xiàng)，建立了描述穩(wěn)定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的改進(jìn)Hill方程和改進(jìn)T-H方程。最后分別進(jìn)行了數(shù)值仿真，仿真結(jié)果表明二階穩(wěn)定繞飛條件是準(zhǔn)確的、有效的，改進(jìn)描述方程可以更準(zhǔn)確的描述相應(yīng)的穩(wěn)定相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
　　軌道攝動(dòng)對(duì)圓參考軌道編隊(duì)的影響研究。分析了各種攝動(dòng)對(duì)低軌衛(wèi)星編

4、隊(duì)的影響，得出對(duì)低軌衛(wèi)星編隊(duì)影響最大的攝動(dòng)源是地球形狀的二階帶諧項(xiàng)。地球中心引力項(xiàng)的二階項(xiàng)及高階項(xiàng)也影響相對(duì)位置描述精度。通過比較攝動(dòng)加速度，發(fā)現(xiàn)編隊(duì)距離在0.97km11.48km～范圍內(nèi)，地球中心引力的二階項(xiàng)與J2項(xiàng)所產(chǎn)生的攝動(dòng)加速度具有可比性。為了減少J2項(xiàng)和二階中心引力項(xiàng)對(duì)衛(wèi)星編隊(duì)的影響，在原微分方程基礎(chǔ)上增加上面兩種誤差的修正項(xiàng)，建立了針對(duì)這兩種攝動(dòng)的修正方程。最后通過數(shù)值仿真驗(yàn)證了該修正方程的有效性。
　　衛(wèi)星編隊(duì)的隊(duì)

5、形保持與控制研究。針對(duì)圓參考軌道衛(wèi)星編隊(duì)誤差模型為常系數(shù)線性模型，首先把模型簡化為雙積分模型，設(shè)計(jì)了燃料最優(yōu)控制器，然后考慮模型誤差和攝動(dòng)影響，在燃料最優(yōu)控制基礎(chǔ)上增加最小加速度控制組成聯(lián)合控制器——改進(jìn)燃料最優(yōu)控制。為了充分利用J2對(duì)編隊(duì)隊(duì)形的積極作用，而設(shè)計(jì)了改進(jìn)LQR控制，通過利用J2攝動(dòng)力減小控制力，能夠進(jìn)一步節(jié)省燃料。針對(duì)橢圓參考軌道的衛(wèi)星編隊(duì)隊(duì)形保持是時(shí)變模型，采用基于T-S模糊模型的控制方法，既保證了系統(tǒng)的大范圍漸近穩(wěn)定，

6、又具有很好的性能。數(shù)值仿真結(jié)果表明基于T-S模型的控制方法與已有的控制器相比，在相同的控制精度情況下，更節(jié)省燃料。
　　衛(wèi)星編隊(duì)的隊(duì)形機(jī)動(dòng)研究。針對(duì)目前穩(wěn)定隊(duì)形的描述多采用六參數(shù)描述存在冗余問題，采用四參數(shù)描述消除冗余。針對(duì)衛(wèi)星編隊(duì)隊(duì)形機(jī)動(dòng)與單星機(jī)動(dòng)的不同，增加考慮編隊(duì)成員機(jī)動(dòng)過程中的防止碰撞約束，設(shè)計(jì)了帶有防碰撞約束的、燃料消耗最少的雙脈沖開環(huán)控制。針對(duì)衛(wèi)星編隊(duì)成員末狀態(tài)不確定的隊(duì)形機(jī)動(dòng)問題，設(shè)計(jì)了三脈沖控制器：首先通過一次脈沖