小卫星编队轨迹规划与控制方法研究
发布时间：2021-08-16 21:55
近几年稀疏孔径传感和恒星干涉测量等技术愈发成熟,是合成孔径雷达（SAR）卫星编队研究热点之一。通过SAR卫星编队可实现地面移动目标识别、增强图像分辨率、获得高程数字模型等。小型化、高分辨率、宽测绘带是未来SAR卫星编队的发展方向。SAR卫星可通过适当的阵列使系统成本降到最低,其分布式编队结构在空间系统设计上具有变革性创新。因此,针对SAR卫星编队问题,本文主要研究内容如下:考虑J2摄动以及主星轨道要素随时间的变化,建立较为精确的非线性动力学模型,并分析线性C-W方程和非线性模型的周期性相对运动和能量匹配运动。基于序列凸优化方法解决多卫星编队队形重构轨迹规划问题,利用中心法、串行去中心法和并行去中心法凸化重构过程涉及的碰撞规避约束,并对比小型编队和大型编队的计算时间和燃料消耗情况。仿真得出,对于大型编队问题,并行去中心法的求解时间最短,燃料消耗最少。为缓解卫星之间的通信负担,减少对偶变量维数,基于对偶分解法设计了分布式卫星编队系统。针对对偶分解中心法求解时间长,对偶变量维数大的问题,将编队设计为分布式系统,减少计算时间与对偶变量维数,减轻卫星通信压力。为减弱外界干扰...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
TanDEM-X在轨飞行示意图
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-3-图1-1Cartwheel在轨飞行示意图由于Cartwheel计划设想的是每颗小卫星只用作接收，用一个传统在轨大卫星发射信号，主要任务是在接收卫星的生命周期内对陆地表面进行全球覆盖。星座的工作程序将以一个重复的周期模式为基础，每个轨道有三个相位，大部分轨道将维持小的、固定的太阳系朝向太阳的方向。法国宇航局(CNES)的研究人员分析，在考虑各种误差的情况下，Cartwheel联合ASAR微波雷达传感器得出的测高精度优于4m。2009年又有学者讨论了交轨钟摆、顺轨干涉车轮和干涉车轮—钟摆相结合的编队构型，认为在只有２个接收小卫星的情况下，交轨钟摆式编队构型较好，可提供周期性变化的交轨基线长度和稳定的顺轨基线；如果可有３个接收小卫星，则干涉车轮—钟摆相结合的编队构型更具有灵活性[10]，该计划自2010年以来的报道非常少，目前停留在方案阶段。3.TerraSAR-X任务TerraSAR-X(TSX)和它的双星TanDEM-X(TDX)是两颗提供高分辨率SAR图像的德国雷达卫星。它们分别于2007年6月和2010年6月发射升空，用于两项主要任务：单站采集多模X波段数据，以监测地球表面的科学和商业用途（TerraSAR-X任务）和生成在12m×12m水平取样时高度精度优于2m的全球数字高程模型(DEM)[11]。图1-2TanDEM-X在轨飞行示意图TerraSAR-X和TanDEM-X不依赖于天气条件能可靠地获取高分辨率和宽测绘带的雷达图像。这两颗卫星几乎完全相同，以六种不同的工作模式运行，在地球观测中有着广泛的应用。
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9t104-1-0.50x(m)C-W方程J2 摄动0 1 2 3 4 5 6 7 8 9t10410001050y(m)0 1 2 3 4 5 6 7 8 9t104-0.500.51z(m) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9t104-505vx(m)10-4C-W方程J2 摄动0 1 2 3 4 5 6 7 8 9t104-101vy(m)10-30 1 2 3 4 5 6 7 8 9t104-101vz(m)10-3 a) 相对位置 b) 相对速度 图 2-4 非线性修正后的位置与速度
【参考文献】：
期刊论文
[1]J2摄动下卫星编队重构的多脉冲轨迹优化[J]. 王有亮,郑建华,李明涛. 国防科技大学学报. 2018(06)
[2]国外编队飞行干涉SAR卫星系统发展综述[J]. 尹建凤,张庆君,刘杰,张润宁,赵良波,张弛,刘久利. 航天器工程. 2018(01)
[3]基于切换滑模控制的抖振抑制方法[J]. 方世鹏,胡昌华,扈晓翔,李红增. 控制与决策. 2017(07)
[4]基于对偶分解的分布式协同编队飞行研究[J]. 过娟,褚晶,闫杰. 西北工业大学学报. 2015(06)
[5]Gaussian pigeon-inspired optimization approach to orbital spacecraft formation reconfiguration[J]. Zhang Shujian,Duan Haibin. Chinese Journal of Aeronautics. 2015(01)
[6]基于伪谱法的编队卫星队形重构防碰撞轨迹优化[J]. 黄海滨,马广富,庄宇飞,吕跃勇. 控制与决策. 2012(04)
[7]基于协同进化粒子群和Pareto最优解的卫星编队队形重构方法[J]. 黄海滨,马广富,庄宇飞,吕跃勇. 航空学报. 2011(11)
[8]分布式卫星合成孔径雷达的研究进展[J]. 易鹏,赵尚弘,占生宝. 半导体光电. 2010(06)
[9]低轨编队卫星构形保持的模糊PID控制[J]. 李伟,赵黎平. 计算机仿真. 2010(04)
[10]椭圆轨道卫星编队飞行的最优控制研究[J]. 卢山,徐世杰. 中国空间科学技术. 2008(01)
博士论文
[1]小型航天器及其编队有限时间姿态控制方法研究[D]. 邵士凯.天津大学 2017
[2]多航天器编队姿态协同控制算法研究[D]. 张健.哈尔滨工业大学 2017
[3]编队飞行航天器有限时间协同控制[D]. 郭永.哈尔滨工业大学 2016
[4]多航天器编队飞行分布式协同控制[D]. 郑重.哈尔滨工业大学 2014
[5]多角度SAR成像及特征提取[D]. 周汉飞.国防科学技术大学 2013
[6]航天器编队飞行分布式协同控制方法研究[D]. 周稼康.哈尔滨工业大学 2012
[7]卫星编队飞行队形控制与重构技术研究[D]. 刘剑锋.哈尔滨工业大学 2008
[8]编队卫星周期性相对运动轨道设计与构形保持研究[D]. 杏建军.国防科学技术大学 2007
硕士论文
[1]J2摄动下的卫星编队队形重构与队形保持方法研究[D]. 崔文豪.哈尔滨工程大学 2019
[2]基于终端滑模理论的多航天器编队有限时间姿态协同控制[D]. 程晓梅.哈尔滨工业大学 2017
[3]卫星编队的姿态协同控制及其优化设计[D]. 王也.哈尔滨工业大学 2017
[4]编队卫星碰撞风险评估及安全控制研究[D]. 张东青.哈尔滨工业大学 2015
本文编号：3346466
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
TanDEM-X在轨飞行示意图
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-3-图1-1Cartwheel在轨飞行示意图由于Cartwheel计划设想的是每颗小卫星只用作接收，用一个传统在轨大卫星发射信号，主要任务是在接收卫星的生命周期内对陆地表面进行全球覆盖。星座的工作程序将以一个重复的周期模式为基础，每个轨道有三个相位，大部分轨道将维持小的、固定的太阳系朝向太阳的方向。法国宇航局(CNES)的研究人员分析，在考虑各种误差的情况下，Cartwheel联合ASAR微波雷达传感器得出的测高精度优于4m。2009年又有学者讨论了交轨钟摆、顺轨干涉车轮和干涉车轮—钟摆相结合的编队构型，认为在只有２个接收小卫星的情况下，交轨钟摆式编队构型较好，可提供周期性变化的交轨基线长度和稳定的顺轨基线；如果可有３个接收小卫星，则干涉车轮—钟摆相结合的编队构型更具有灵活性[10]，该计划自2010年以来的报道非常少，目前停留在方案阶段。3.TerraSAR-X任务TerraSAR-X(TSX)和它的双星TanDEM-X(TDX)是两颗提供高分辨率SAR图像的德国雷达卫星。它们分别于2007年6月和2010年6月发射升空，用于两项主要任务：单站采集多模X波段数据，以监测地球表面的科学和商业用途（TerraSAR-X任务）和生成在12m×12m水平取样时高度精度优于2m的全球数字高程模型(DEM)[11]。图1-2TanDEM-X在轨飞行示意图TerraSAR-X和TanDEM-X不依赖于天气条件能可靠地获取高分辨率和宽测绘带的雷达图像。这两颗卫星几乎完全相同，以六种不同的工作模式运行，在地球观测中有着广泛的应用。
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9t104-1-0.50x(m)C-W方程J2 摄动0 1 2 3 4 5 6 7 8 9t10410001050y(m)0 1 2 3 4 5 6 7 8 9t104-0.500.51z(m) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9t104-505vx(m)10-4C-W方程J2 摄动0 1 2 3 4 5 6 7 8 9t104-101vy(m)10-30 1 2 3 4 5 6 7 8 9t104-101vz(m)10-3 a) 相对位置 b) 相对速度 图 2-4 非线性修正后的位置与速度
【参考文献】：
期刊论文
[1]J2摄动下卫星编队重构的多脉冲轨迹优化[J]. 王有亮,郑建华,李明涛. 国防科技大学学报. 2018(06)
[2]国外编队飞行干涉SAR卫星系统发展综述[J]. 尹建凤,张庆君,刘杰,张润宁,赵良波,张弛,刘久利. 航天器工程. 2018(01)
[3]基于切换滑模控制的抖振抑制方法[J]. 方世鹏,胡昌华,扈晓翔,李红增. 控制与决策. 2017(07)
[4]基于对偶分解的分布式协同编队飞行研究[J]. 过娟,褚晶,闫杰. 西北工业大学学报. 2015(06)
[5]Gaussian pigeon-inspired optimization approach to orbital spacecraft formation reconfiguration[J]. Zhang Shujian,Duan Haibin. Chinese Journal of Aeronautics. 2015(01)
[6]基于伪谱法的编队卫星队形重构防碰撞轨迹优化[J]. 黄海滨,马广富,庄宇飞,吕跃勇. 控制与决策. 2012(04)
[7]基于协同进化粒子群和Pareto最优解的卫星编队队形重构方法[J]. 黄海滨,马广富,庄宇飞,吕跃勇. 航空学报. 2011(11)
[8]分布式卫星合成孔径雷达的研究进展[J]. 易鹏,赵尚弘,占生宝. 半导体光电. 2010(06)
[9]低轨编队卫星构形保持的模糊PID控制[J]. 李伟,赵黎平. 计算机仿真. 2010(04)
[10]椭圆轨道卫星编队飞行的最优控制研究[J]. 卢山,徐世杰. 中国空间科学技术. 2008(01)
博士论文
[1]小型航天器及其编队有限时间姿态控制方法研究[D]. 邵士凯.天津大学 2017
[2]多航天器编队姿态协同控制算法研究[D]. 张健.哈尔滨工业大学 2017
[3]编队飞行航天器有限时间协同控制[D]. 郭永.哈尔滨工业大学 2016
[4]多航天器编队飞行分布式协同控制[D]. 郑重.哈尔滨工业大学 2014
[5]多角度SAR成像及特征提取[D]. 周汉飞.国防科学技术大学 2013
[6]航天器编队飞行分布式协同控制方法研究[D]. 周稼康.哈尔滨工业大学 2012
[7]卫星编队飞行队形控制与重构技术研究[D]. 刘剑锋.哈尔滨工业大学 2008
[8]编队卫星周期性相对运动轨道设计与构形保持研究[D]. 杏建军.国防科学技术大学 2007
硕士论文
[1]J2摄动下的卫星编队队形重构与队形保持方法研究[D]. 崔文豪.哈尔滨工程大学 2019
[2]基于终端滑模理论的多航天器编队有限时间姿态协同控制[D]. 程晓梅.哈尔滨工业大学 2017
[3]卫星编队的姿态协同控制及其优化设计[D]. 王也.哈尔滨工业大学 2017
[4]编队卫星碰撞风险评估及安全控制研究[D]. 张东青.哈尔滨工业大学 2015
本文编号：3346466
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