J2摄动下的卫星编队队形重构与队形保持方法研究

发布时间：2020-07-02 07:16

【摘要】：随着空间技术的迅猛发展,小卫星编队凭借着技术先进和应用前景广阔的优势,快速发展成为一种全新的空间飞行器在轨运行模式。同样的,卫星编队对当前的空间技术提出了更高的要求,在动力学建模、队形重构、队形保持等方面还有许多丞待解决的难题。本文针对J_2摄动下低地球轨道卫星编队的动力学建模、编队重构和队形保持等方面进行了深入的研究和探讨。课题的研究内容主要有以下几个方面:首先,在参考轨道坐标系下,多星编队问题被分解成单颗参考星和一颗环绕星的二体运动,从动力学角度对二体运动进行分析,建立了一般情况下较为精确的非线性动力学方程;将J_2摄动纳入外界扰动项,代入非线性动力学方程进行推导以及线性化,得到较为精确的线性化的相对动力学模型,为后续卫星编队队形重构和队形保持方面的研究打下理论和模型基础。依据对卫星编队二体运动的动力学分析,设计了卫星编队的空间队形。分析卫星编队在空间圆参考轨道上的相对运动特性,介绍了几种常见的编队飞行方式,对每种编队飞行构型的特点以及构型条件进行了详细的分析,并绘制了对应的编队飞行图形,为后续编队重构和编队保持提供了队形基础。其次,在前文中建立的J_2摄动下线性化的卫星编队相对运动动力学方程的基础下,对卫星编队队形重构问题进行描述。通过利用极小值理论,引入哈密顿函数和协态变量,将燃料最优问题转化为两点边值问题。利用多重打靶法对两点边值问题进行求解,为获得较为准确的初值,结合改进的鸽群进化算法获得协态变量初值。利用多重打靶法结合改进鸽群进化算法,对J_2摄动下的卫星编队队形重构问题转化成的两点边值问题。同时,将粒子群算法应用于编队重构中,并与联合算法得到的控制策略进行了比较,验证了联合算法的有效性和优越性。之后,对重构后的卫星编队进行队形保持,基于LQR理论和滑模控制理论设计了两种控制器对队形进行控制保持。不同之处在于LQR控制器只能将编队中的卫星保持在空间构型中的固定相对位置,即静态保持;而滑模控制器不仅仅能静态保持,还能使卫星在构型中保持在变化的理想位置,即动态保持。通过数值仿真对两种编队队形控制策略进行了比较验证,分析了两种控制方法的优缺点以及各自适用情况。最后,基于VC++设计搭建了仿真系统软件进行场景仿真。分别设计场景对卫星的编队重构和保持进行仿真,对本文设计的联合算法和滑模控制在动态队形保持方面的有效性进行验证。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V448.2
【图文】：

也经历了线性化的处理，并且不考虑空间中存在的种种摄动力的影定误差。虽然 T-H 方程也能通过限定特定的条件求出解析解，但是求出的解析解，其解析形式仍然比较复杂，难以将其运行到卫星轨学法对卫星编队进行研究虽然取得了很大的进展，但是这些进展是学微分方程的解析解的前提下取得的，当面临参考星位于椭圆轨道响的卫星编队情况时，其动力学方程较为复杂，求解其解析解较为难题丞待解决。本文为获得更高的精度，拟采用相对精确的非线性动线性化，尽可能保证相对运动的精度。编队队形重构研究现状颗小卫星编队飞行的过程中，编队的空间构型需要随着空间任务的，需要由当前构型向新的目标构型进行转换，即需要队形重构。由燃料有限，为节省能量，延长卫星的使用寿命，需要对卫星的队形划，其目的就是找寻既满足约束条件又节省能量的最优轨迹，现有迹规划方法的研究。

杨博、田苗等研究了小推力作用下高精度的卫星编队构型保外部扰动的考虑项，推导控制力与卫星编队的距离和空间方位高精度的卫星编队队形保持策略。队队形保持研究现状编队空间运行的过程中，不受外力的理想状况下，环绕星相对定不变的，但是由于空间中轨道摄动力的影响，卫星会偏移原来队队形形状也会发生畸化。为消除外部摄动力造成的误差，必星施加轨道控制，以保证卫星编队的队形保持稳定。早期的卫在线性化的相对运动动力学方程的基础上开展的。

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本文编号：2737903