航天器集群边界建模与控制方法研究

发布时间：2017-10-11 20:25

  本文关键词：航天器集群边界建模与控制方法研究

  更多相关文章： 航天器集群 相对运动 有界性 J_2不变 悬停 内编队 非线性控制 鲁棒控制

【摘要】：航天器集群飞行是分布式卫星系统技术发展的一个重要方向,是新型空间对地观测、空间在轨服务、深空小行星探测等众多空间应用的关键技术。本文围绕这一前沿方向,对航天器集群飞行的动力学与控制方法开展了研究。研究内容以集群飞行的必要性条件为切入点,提炼出集群飞行的有界性这一科学概念,对有界性条件、有界性的实现方法、有界集群的边界模型、有界集群的边界重构方法等重要问题进行了系统研究;同时结合实际空间任务背景,对具有定值边界约束的航天器相对悬停与带有实体边界约束的内编队飞行两类特殊集群任务的带边界约束控制问题进行了研究,并提出了优化的控制方法。全文取得的主要成果如下:一是建立了航天器相对运动和集群运动的边界模型,为采用集群飞行方式实施具有尺度或基线约束的空间任务奠定了理论基础。首先,以航天器周期性相对运动方程为基础,基于极值原理推导得到了一对航天器间相对运动的坐标分量上下边界解析解,分析了一般周期性运动的星间距离极值规律,并进一步得到了绕飞相对运动和面内相对运动的星间距离上下边界解析解。然后,以一对航天器间相对运动边界为基础,并基于最小包络盒和最小包络球的概念,建立了航天器集群的边界模型。二是建立了航天器集群飞行的有界性条件解析解,为理解集群长期在轨自然维持的机理提供了基本的数学模型。首先分析并证明了中心引力主导下有界性和周期性的等价关系,对基于周期性匹配原理和能量匹配原理构建有界性条件的方法做了系统总结。然后,证明了J_2摄动作用下有界性和J_2不变的等价性,改进了平密切轨道根数和非密切轨道根数下两类J_2不变解析解。进一步,建立了近极轨道、冻结轨道和赤道面内轨道三种特殊轨道类型下的简化J_2不变解析解。最后,分析了严格J_2不变相对运动的空间几何特征,推导得到了空间自相交和投影面自相交的充分必要条件。三是提出了满足集群飞行有界性条件的初始化控制方法,为实现集群长期低能耗或自然维持奠定了理论基础。首先,针对地球中心引力作用下一阶有界性和高阶有界性的问题,提出了单方向、双方向和三方向的最优脉冲速度增量初始化控制方法。然后,针对J_2摄动作用下的有界相对运动初始化问题,建立了最优单脉冲速度增量初始化控制方法。最后,针对基于母星平台弹射分离实现小卫星集群构建的问题,建立了以释放速度为变量的相对运动方程,设计了相应的初始化控制方法。四是提出了航天器集群的边界重构方法,为不同集群任务之间的切换建立了动力学上的必要条件。首先,建立了边界重构的两步法方案,其中,第一步实现期望边界到从星期望轨道根数的映射,第二步实现从星当前轨道根数到期望轨道根数的映射。然后,将轨道根数调节问题分解为面内控制和面外控制两个部分,建立了一种面内四脉冲控制的最优控制模型。进一步,针对只有单个方向推力器的常见航天器故障类型,建立了绕飞相对运动和面内相对运动的边界重构方法。最后,提出了集群虚拟参考星的概念,建立了集群边界重构的多脉冲最优控制方法。五是对相对悬停和内编队飞行两类特殊应用任务的边界约束及控制问题进行了分析,发展和改进了相关控制方法。针对相对悬停控制问题,推导得到了考虑J_2摄动的相对悬停控制力通用模型;推导得到了沿径向相对悬停整周期燃耗解析解,完善了悬停燃耗模型;提出了给定距离下的最优控制力悬停方位问题,通过Lagrange乘子法求解得到了最小/最大控制力悬停方位的解析解;提出了给定距离下的最优燃耗悬停方位问题,通过Lagrange乘子法得到了最小/最大燃耗悬停方位的解析解。针对内编队飞行控制问题,建立了考虑微小偏心率影响的内编队非线性相对运动动力学方程,基于时变系统的Lyapunov控制理论,提出了四种内编队非线性实时控制算法;分析了内编队系统由于燃料消耗带来整体质量变化、系统动力学建模不准确、环境干扰力波动等不确定因素对控制带来的影响,提出了基于μ综合的内编队鲁棒控制算法;针对包含两颗内卫星的内编队系统,建立了包含自适应参数估计的多体协同控制算法。论文系统分析了集群飞行的动力学机理,提出了相对运动有界性这一科学概念,拓展了传统编队飞行的研究范畴,为采用集群飞行的方式实现多种空间任务奠定了理论基础;论文所提出的边界模型、有界性条件、初始化和边界重构等模型和方法为集群飞行的工程应用提供了有用的借鉴;论文对航天器相对悬停控制和内编队飞行控制方法的改进和拓展,为其在轨试验任务提供了更为优化的解决方案。
【关键词】：航天器集群 相对运动 有界性 J_2不变 悬停 内编队 非线性控制 鲁棒控制
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V448.2
【目录】：

• 摘要12-14
• Abstract14-16
• 第一章 绪论16-40
• 1.1 研究背景与意义16-27
• 1.1.1 航天器集群飞行概念16-17
• 1.1.2 航天器集群飞行技术发展现状与趋势17-27
• 1.2 相关研究进展综述27-37
• 1.2.1 航天器集群飞行的有界性条件27-30
• 1.2.2 航天器集群的边界建模方法30-31
• 1.2.3 航天器集群有界飞行的初始化控制方法31-33
• 1.2.4 航天器集群的边界重构控制方法33-34
• 1.2.5 面向特殊应用的有界集群控制方法34-37
• 1.3 论文研究内容和组织结构37-40
• 第二章 航天器集群飞行的边界模型40-79
• 2.1 航天器相对运动的有界性40-47
• 2.1.1 运动物体有界性的一般概念40-41
• 2.1.2 中心力场下物体运动的有界性41-44
• 2.1.3 航天器相对运动的有界性44-47
• 2.2 航天器相对运动的边界模型47-69
• 2.2.1 有界相对运动的边界47-48
• 2.2.2 相对运动的坐标分量边界模型48-55
• 2.2.3 相对运动的星间距离边界模型55-58
• 2.2.4 特殊相对运动的边界模型58-62
• 2.2.5 给定边界的初始相对运动条件62-66
• 2.2.6 算例及分析66-69
• 2.3 航天器集群飞行的边界模型69-77
• 2.3.1 集群飞行的数学模型69-72
• 2.3.2 基于最小包络盒/球的集群边界模型72-74
• 2.3.3 算例及分析74-77
• 2.4 小结77-79
• 第三章 航天器集群飞行的有界性条件79-116
• 3.1 地球中心引力下的有界相对运动条件79-84
• 3.1.1 有界性的轨道根数差解79-80
• 3.1.2 有界性的一阶线性解80-82
• 3.1.3 有界性的高阶非线性解82-84
• 3.1.4 算例及分析84
• 3.2 J_2摄动下的有界相对运动条件84-100
• 3.2.1 严格J_2不变相对运动84-86
• 3.2.2 宽松J_2不变相对运动86-88
• 3.2.3 修正的宽松J_2不变相对运动88-94
• 3.2.4 基于非密切轨道根数的J_2不变相对运动94-97
• 3.2.5 算例及分析97-100
• 3.3 特殊轨道下的J_2不变相对运动100-104
• 3.3.1 近极轨道J_2不变相对运动100-101
• 3.3.2 冻结轨道J_2不变相对运动101-102
• 3.3.3 赤道面内J_2不变相对运动102-103
• 3.3.4 算例及分析103-104
• 3.4 J_2摄动下有界相对运动的几何特性分析104-114
• 3.4.1 相对运动的自相交概念105
• 3.4.2 严格J_2不变相对运动的自相交特性分析105-112
• 3.4.3 算例及分析112-114
• 3.5 小结114-116
• 第四章 实现集群飞行有界性的初始化控制方法116-151
• 4.1 地球中心引力下卫星有界相对运动的初始化控制方法116-126
• 4.1.1 基于轨道半长轴匹配的初始化控制116
• 4.1.2 实现一阶有界性的相对运动初始化控制116-118
• 4.1.3 实现高阶有界性的相对运动初始化控制118-122
• 4.1.4 算例及分析122-126
• 4.2 J_2摄动下卫星有界相对运动的初始化控制方法126-131
• 4.2.1 实现严格J_2不变相对运动的初始化控制方法126-128
• 4.2.2 实现宽松J_2不变相对运动的初始化控制方法128-130
• 4.2.3 算例及分析130-131
• 4.3 考虑有界性约束的航天器集群初始化控制方法131-149
• 4.3.1 集群初始化问题描述131-132
• 4.3.2 初始化相对运动建模132-135
• 4.3.3 圆参考轨道下的集群初始化控制方法135-141
• 4.3.4 椭圆参考轨道下的集群初始化控制方法141-147
• 4.3.5 算例及分析147-149
• 4.4 小结149-151
• 第五章 航天器集群边界重构控制方法151-181
• 5.1 相对运动边界重构的一般方法151-162
• 5.1.1 轨道根数改变的速度增量控制方法151-155
• 5.1.2 一般相对运动的边界重构155-159
• 5.1.3 特殊相对运动的边界重构159-160
• 5.1.4 算例及分析160-162
• 5.2 有限方向推力的相对运动边界重构方法162-169
• 5.2.1 利用单方向速度增量实现绕飞相对运动边界重构163-164
• 5.2.2 利用单方向速度增量实现同轨道面相对运动边界重构164-166
• 5.2.3 算例及分析166-169
• 5.3 相对运动边界重构的多脉冲最优控制方法169-179
• 5.3.1 基于伪逆法的相对运动多脉冲控制169-172
• 5.3.2 用于星间距离边界重构的多脉冲最优控制172-173
• 5.3.3 用于集群边界重构的多脉冲最优控制173-176
• 5.3.4 算例及分析176-179
• 5.4 小结179-181
• 第六章 具有定值边界约束的航天器相对悬停控制方法181-203
• 6.1 相对悬停控制及其边界约束分析181-182
• 6.1.1 相对悬停的含义181-182
• 6.1.2 自然与受控相对悬停182
• 6.2 相对悬停控制力建模与分析182-193
• 6.2.1 相对悬停控制力模型182-190
• 6.2.2 最小控制力悬停方位190-192
• 6.2.3 算例与分析192-193
• 6.3 相对悬停燃料消耗建模与分析193-201
• 6.3.1 相对悬停燃料消耗模型194-196
• 6.3.2 最小燃耗悬停方位196-200
• 6.3.3 算例与分析200-201
• 6.4 小结201-203
• 第七章 带有实体边界约束的内编队飞行实时控制203-238
• 7.1 内编队飞行及其边界约束分析203-207
• 7.1.1 内编队飞行概念203-205
• 7.1.2 内编队控制要求及边界约束分析205-207
• 7.2 包含单颗内卫星的内编队控制207-229
• 7.2.1 内编队动力学建模与分析207-210
• 7.2.2 内编队非线性实时控制方法210-219
• 7.2.3 内编队鲁棒实时控制方法219-229
• 7.3 包含两颗内卫星的内编队控制229-236
• 7.3.1 包含两颗内卫星的内编队可控性分析229-230
• 7.3.2 包含两颗内卫星的内编队协同控制方法230-233
• 7.3.3 算例与分析233-236
• 7.4 小结236-238
• 第八章 总结与展望238-243
• 8.1 论文主要工作总结238-242
• 8.2 进一步工作的展望242-243
• 致谢243-244
• 参考文献244-255
• 作者简历及在学期间取得的学术成果255-259
• 作者简历255-256
• 主要学术成果256-258
• 攻读博士学位期间参加的科研项目258-259
• 附录A 航天器相对运动动力学基础259-266

，

本文编号：1014567