电动帆航天器动力学、控制及轨迹优化研究

发布时间：2017-10-13 05:24

  本文关键词：电动帆航天器动力学、控制及轨迹优化研究

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【摘要】：随着我国航天事业的发展,远地空间探测甚至远地空间资源利用将逐步成为航天领域的研究热点,寻找一种高效的星际远航推进方式是完成任务的第一步也是关键的一步。近年来,一种新兴的无限大比冲推进方式——电动太阳风帆(简称电动帆)以其应用于深空探测的巨大潜力得到了国外相关科研机构及专家的重视,而国内在此方面的研究才刚刚起步。由于电动帆航天器能够利用太阳风动能冲力飞行而不消耗任何推进剂,所以非常适用于长期的深空探测任务和非开普勒轨道保持任务。本学位论文以电动帆航天器深空探测任务及非开普勒轨道保持任务为背景,针对其动力学、控制和轨迹优化问题开展研究,主要完成了以下几方面的工作:针对电动帆航天器姿态和轨道强耦合问题,以单根带电金属链推力模型为基础,对电动帆航天器姿态-轨道耦合动力学进行研究。首先,通过理论推导得出了电动帆推力矢量和力矩矢量与电动帆姿态、相对太阳距离和带电金属链电压分布之间的关系。然后在此推力模型基础上,分别对电动帆航天器的轨道动力学和姿态动力学进行了研究。由于电动帆的推力矢量由其姿态所决定,所以电动帆的姿态动力学与轨道动力学是耦合的,进而得出了电动帆航天器姿态轨道耦合动力学模型。针对电动帆航天器转移轨迹优化问题,提出了一种结合高斯伪谱法、遗传算法和序列二次规划算法的混合优化方法。这种混合优化方法通过遗传算法全局寻优获得高斯伪谱法中非线性规划问题的状态变量及控制变量初值,并采用序列二次规划算法在遗传算法获得初值的基础上进一步寻优。将上述混合优化方法应用于电动帆航天器轨迹优化问题中,并以火星探测任务、谷神星探测任务和太阳系边界探测任务为例进行了数学仿真。仿真结果表明,所提出的混合优化算法能够在无任何初值猜测的情况下完成电动帆航天器飞行轨迹的优化,这一特性非常适用于缺少先验知识的电动帆航天器轨迹优化问题。针对考虑参数摄动时的电动帆航天器姿态跟踪控制问题,开展了采用反馈线性化和滑模变结构的联合控制研究。反馈线性化通过状态反馈补偿将各通道强耦合且非线性的姿态控制问题转化成各通道独立的线性问题,并采用滑模变结构对各通道进行控制。联合控制仿真结果表明,虽然提出的反馈线性化和滑模变结构联合控制由于非匹配不确定性的存在不能实现渐进稳定,但是通过合理地设计滑模面和控制参数,仍可使系统的滑模运动具有较强的鲁棒性和所期望的动态性能。基于电动帆推力加速度较大且可调的特点,将其应用于日心悬浮轨道保持任务中,并对其稳定性和稳定控制开展了研究。对基于电动帆的日心悬浮轨道进行了设计,得出了保持日心悬浮轨道的必要条件。进而对所设计的电动帆航天器日心悬浮轨道进行了稳定性分析,结果表明:当电动帆惯量参数及悬浮轨道参数满足一定条件时,电动帆日心悬浮轨道才是平衡且临界稳定的。采用线性二次型最优控制对非稳定情况进行主动稳定控制研究,仿真结果表明,线性二次型最优控制适用于电动帆在日心悬浮轨道的稳定控制,且很小的力矩就能实现电动帆航天器姿态-轨道耦合系统的稳定。
【关键词】：电动帆 姿态轨道耦合 混合优化方法 反馈线性化 悬浮轨道
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V442
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第1章 绪论14-37
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义14-16
• 1.1.1 课题来源14
• 1.1.2 课题的目的和意义14-16
• 1.2 电动帆推进技术研究现状16-27
• 1.2.1 电动帆发展概述17-21
• 1.2.2 电动帆部件与构型21-22
• 1.2.3 电动帆相关应用概述22-26
• 1.2.4 电动帆和太阳帆对比分析26-27
• 1.3 电动帆相关理论研究现状27-34
• 1.3.1 动力学研究现状27-29
• 1.3.2 控制研究现状29-30
• 1.3.3 轨迹优化研究现状30-34
• 1.4 本文的主要研究内容34-37
• 第2章 电动帆姿态轨道耦合动力学37-55
• 2.1 引言37
• 2.2 时间与坐标系统37-41
• 2.2.1 时间系统定义37-38
• 2.2.2 参考系统定义与转换38-41
• 2.3 电动帆推力模型研究41-50
• 2.3.1 推力矢量模型41-44
• 2.3.2 力矩矢量模型44
• 2.3.3 电压分布策略44-45
• 2.3.4 推力模型分析45-50
• 2.4 电动帆轨道动力学研究50-52
• 2.4.1 球坐标系下轨道动力学模型50-51
• 2.4.2 笛卡尔直角坐标系下轨道动力学模型51-52
• 2.5 电动帆姿态动力学研究52-53
• 2.6 电动帆姿态-轨道耦合动力学方程53-54
• 2.7 本章小结54-55
• 第3章 基于伪谱法和遗传算法的电动帆轨迹优化研究55-84
• 3.1 引言55-56
• 3.2 混合优化方法理论基础56-59
• 3.2.1 Gauss伪谱法理论基础56-58
• 3.2.2 混合优化方法基本策略58-59
• 3.3 电动帆轨迹优化问题的数学描述59-62
• 3.3.1 优化性能指标60
• 3.3.2 动力学微分约束60-61
• 3.3.3 边界约束61
• 3.3.4 路径约束61-62
• 3.4 基于混合优化方法的电动帆轨迹优化62-66
• 3.4.1 基于Gauss伪谱法的离散化62-64
• 3.4.2 基于遗传算法的初值计算64-65
• 3.4.3 基于序列二次规划的最优解求解65-66
• 3.5 电动帆深空探测任务分析66-83
• 3.5.1 基于电动帆航天器的火星探测66-74
• 3.5.2 基于电动帆航天器的谷神星探测74-81
• 3.5.3 基于电动帆航天器的太阳系边界探测81-83
• 3.6 本章小结83-84
• 第4章 基于反馈线性化的电动帆姿态跟踪控制研究84-103
• 4.1 引言84
• 4.2 控制问题描述84-85
• 4.3 基于反馈线性化的控制85-97
• 4.3.1 反馈线性化理论基础85-86
• 4.3.2 反馈线性化控制器设计86-88
• 4.3.3 姿态跟踪数学仿真88-97
• 4.4 反馈线性化和滑模变结构联合控制97-102
• 4.4.1 反馈线性化和变结构联合控制器设计97-98
• 4.4.2 姿态跟踪数值仿真98-102
• 4.5 本章小结102-103
• 第5章 电动帆日心悬浮轨道相关问题研究103-129
• 5.1 引言103
• 5.2 日心悬浮轨道设计103-110
• 5.2.1 日心悬浮轨道104-105
• 5.2.2 地球同步日心悬浮轨道105-107
• 5.2.3 最优日心悬浮轨道107-110
• 5.3 日心悬浮轨道稳定性分析110-113
• 5.3.1 姿态轨道耦合系统平衡条件110
• 5.3.2 姿态轨道耦合系统稳定性分析110-113
• 5.4 日心悬浮轨道稳定控制113-118
• 5.4.1 控制问题描述114
• 5.4.2 线性二次型最优控制114-115
• 5.4.3 数值仿真算例115-118
• 5.5 日心悬浮轨道相关的转移问题118-128
• 5.5.1 优化问题边界约束118-119
• 5.5.2 地球-悬浮轨道转移问题仿真算例119-123
• 5.5.3 悬浮轨道间转移问题仿真算例123-128
• 5.6 本章小结128-129
• 结论129-132
• 参考文献132-140
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果140-142
• 致谢142-144
• 个人简历144

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 张福斌,徐德民,闫茂德;非匹配不确定非线性系统的变结构控制器设计[J];系统工程与电子技术;2003年02期

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本文编号：1023068