小行星附着轨迹优化设计与制导方法研究

发布时间：2017-10-21 13:44

  本文关键词：小行星附着轨迹优化设计与制导方法研究

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【摘要】：作为深空探测领域的重要分支,小行星探测活动已经成为人类航天活动的重点规划领域。随着欧空局(ESA)成功发射“罗塞塔号”彗星探测器以及美国国家航空航天局(NASA)成功发射撞击彗星的“深度撞击”探测器,世界各航天大国纷纷制定小行星探测的规划和任务。深空小行星探测的竞争浪潮正不断地壮大开来,小行星探测方兴未艾。小行星探测技术不仅仅代表着一个国家航天能力的强大,同时也能凸显出科技水平以及社会进步的程度。本文将以定点附着不规则小行星Eros433任务为背景,针对不规则小行星引力场建模、探测器附着过程的轨迹优化以及标称轨迹跟踪制导等问题展开研究工作。首先,基于球谐函数法建立不规则小行星的引力场模型,考虑小行星的自旋运动并忽略太阳的引力摄动及太阳光压等探测器的外部干扰,在小行星固连坐标系下建立探测器的轨道动力学方程;其次,系统地研究了伪谱法和间接法在轨迹优化设计问题中的应用,分别采用伪谱法和间接法设计以燃料最优为控制性能指标的轨迹优化设计方案,并在传统的间接法中引入同伦技术,解决间接法求解燃料最优为性能指标的最优控制问题的两点边值问题对初值的敏感性问题,分别对两种设计方法得到的附着段轨迹进行分析,比较两种方法的优劣性;最后,在传统的动态面控制方法中引入扰动观测器(DOB),考虑小行星引力场的建模误差以及探测器的外部干扰,设计一种基于扰动观测器和动态面控制的标称轨迹跟踪制导控制律,利用李雅普诺夫稳定性理论分析设计的闭环控制系统的稳定性,并以间接法求得的最优轨迹为标称轨迹,进行仿真验证,验证设计的轨迹跟踪制导控制系统的可行性。
【关键词】：轨迹优化设计 间接法 伪谱法 扰动观测器(DOB) 动态面控制
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V448.2;V474
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-23
• 1.1 课题的研究背景和意义9-11
• 1.2 国内外深空探测领域的研究现状11-19
• 1.2.1 国内外深空探测活动的发展概述11-12
• 1.2.2 国内外小行星探测的发展现状12-19
• 1.3 轨迹优化设计和制导控制方法的研究现状19-21
• 1.3.1 轨迹优化设计的研究现状19-20
• 1.3.2 制导控制方法的研究现状20-21
• 1.4 本文主要研究内容及章节安排21-23
• 第2章 不规则小行星引力场建模与探测器轨道动力学建模23-30
• 2.1 引言23
• 2.2 不规则小行星引力场建模23-28
• 2.2.1 常用坐标系23-25
• 2.2.2 基于球谐函数的不规则小行星引力场建模25-28
• 2.3 探测器轨道动力学建模28-29
• 2.4 本章小结29-30
• 第3章 基于伪谱法的小行星附着轨迹优化设计30-43
• 3.1 引言30
• 3.2 航天器系统描述30-32
• 3.3 轨迹优化设计的基本问题32-33
• 3.4 伪谱法的理论基础33-37
• 3.4.1 Lagrange多项式插值与函数逼近33-35
• 3.4.2 状态向量微分矩阵35-36
• 3.4.3 非线性规划问题及KKT条件36-37
• 3.5 基于伪谱离散的轨迹优化设计37-38
• 3.6 仿真验证与分析38-42
• 3.7 本章小节42-43
• 第4章 基于间接法的小行星附着轨迹优化设计43-53
• 4.1 引言43
• 4.2 间接法的理论基础43-46
• 4.2.1 极大值原理43-44
• 4.2.2 两点边值问题与打靶法44-46
• 4.2.3 协态初值敏感性与牛顿迭代法46
• 4.3 同伦技术46-48
• 4.4 基于间接法的轨迹优化设计48-49
• 4.5 仿真验证与分析49-52
• 4.6 本章小结52-53
• 第5章 基于扰动观测器的动态面控制方法研究53-68
• 5.1 引言53
• 5.2 扰动观测器53-57
• 5.2.1 扰动观测器的一般结构54
• 5.2.2 扰动观测器的工作原理54-56
• 5.2.3 低通滤波器的设计56-57
• 5.3 基于扰动观测器和动态面控制的制导控制律设计57-61
• 5.3.1 动态面控制设计57-59
• 5.3.2 扰动观测器的设计59-60
• 5.3.3 闭环轨迹跟踪控制系统稳定性分析60-61
• 5.4 仿真验证与分析61-66
• 5.5 本章小结66-68
• 结论68-70
• 参考文献70-75
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其他研究成果75-77
• 致谢77

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本文编号：1073705