考虑推力约束的航天器交会制导策略研究

发布时间：2017-07-21 03:22

  本文关键词：考虑推力约束的航天器交会制导策略研究

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【摘要】：空间交会是航天器相对运动的一种形式,为了实现追踪航天器和目标航天器的交会,需要进行复杂的轨道机动控制。目前空间交会任务复杂多样,而且交会过程存在各种各样的限制,比如状态约束、推力约束等,同时不同任务的优化目标不同,比如最少时间、能耗最优等,因此针对不同的航天任务的特点,设计合适的制导策略,具有重要的意义。本文以空间交会为背景,交会过程考虑航天器推力约束,提出了基于满意控制理论和基于模型预测控制理论的制导策略。首先,本文建立了航天器间的动力学模型。采用变量代换的方法,将以时间为变量的动力学模型转化为以真近点角为变量的形式。之后研究了航天器的自由绕飞情形,通过对动力学方程积分推导出自由绕飞的解析解,给出状态转移矩阵的形式,并进行了仿真分析。仿真结果说明了在特殊情况下,自由绕飞轨道可以是严格的椭圆轨道,为交会初始状态的选择提供了依据。其次,本文引入了满意控制理论,介绍了其相关知识。基于满意控制理论,以二次型指标为目标函数,考虑推力约束,设计了满意控制制导策略。通过可变参数对闭环极点分布的影响,分析了系统的稳定性,进而为选择保证系统稳定的参数值提供了依据,之后进行了数值仿真。仿真结果验证了算法的有效性。再次,本文研究了交会中的模型预测控制制导策略。首先介绍了模型预测控制的基本理论,然后由离散的交会动力学模型推出预测模型,以离散二次型指标为目标函数,推导了无约束下的控制律。加入推力约束后,设计了约束模型预测控制制导策略。局部镇定器、终端代价函数和终端约束集是影响系统稳定性的三大因素,通过迭代求解了局部镇定器和终端代价函数,基于线性矩阵不等式理论求解终端约束集。数值仿真结果验证了算法的有效性。最后,本文对以上两种算法进行了性能分析。通过对比分析初始点可行域、约束要求、交会时间、性能指标和能耗指标等方面,满意控制算法适合全域强约束情形,具有性能优、能耗小等优点,但是交会花费的时间很长;而模型预测控制算法适合松约束情形,交会时间短,但是在性能指标和能耗指标上表现不佳,而且对初始点的选择要求苛刻。两种算法的对比分析为不同的航天任务选择合适的制导策略提供了依据,以更好地完成目标。
【关键词】：航天器交会 制导策略 自由绕飞 推力约束 满意控制 模型预测控制
【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】：2015
【分类号】：V526;V448.2
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第1章 绪论10-21
• 1.1 研究的背景目的及意义10-11
• 1.2 国内外航天器交会现状11-16
• 1.2.1 美国11-13
• 1.2.2 苏联/俄罗斯13-14
• 1.2.3 欧洲14-15
• 1.2.4 日本15-16
• 1.2.5 中国16
• 1.3 交会控制技术研究现状16-19
• 1.3.1 国内研究现状16-17
• 1.3.2 国外研究现状17-18
• 1.3.3 满意控制理论现状18
• 1.3.4 模型预测控制理论现状18-19
• 1.4 本文主要研究内容19-21
• 第2章 交会动力学模型和自由绕飞轨道的研究21-33
• 2.1 引言21
• 2.2 航天器间的动力学模型21-24
• 2.2.1 坐标系描述21-22
• 2.2.2 以时间为变量的动力学模型22-23
• 2.2.3 以真近点角为变量的动力学模型23-24
• 2.3 追踪航天器的自由绕飞情形24-31
• 2.3.1 自由绕飞的解析解25-27
• 2.3.2 初始状态转移矩阵27-28
• 2.3.3 真近点角28-29
• 2.3.4 数值仿真分析29-31
• 2.4 本章小结31-33
• 第3章 有推力约束的满意控制交会制导策略研究33-51
• 3.1 引言33
• 3.2 满意控制理论33-36
• 3.3 基于满意控制理论的控制器设计36-42
• 3.3.1 约束交会问题描述36-37
• 3.3.2 目标函数的选择37
• 3.3.3 满意集37-40
• 3.3.4 控制器设计40-42
• 3.4 稳定性讨论42-47
• 3.4.1 q对系统稳定的影响43
• 3.4.2 η 对系统稳定性的影响43-44
• 3.4.3 b对系统稳定性的影响44-45
• 3.4.4 |θ|∞随b, η, q的变化45-47
• 3.5 数值仿真分析47-50
• 3.5.1 b, η, q的选取47
• 3.5.2 仿真条件及结果47-50
• 3.5.3 结果分析50
• 3.6 本章小结50-51
• 第4章 有推力约束的模型预测控制交会制导策略研究51-67
• 4.1 引言51
• 4.2 模型预测控制理论51-55
• 4.2.1 预测控制的基本原理52-53
• 4.2.2 预测环节53-54
• 4.2.3 指标函数的选择54-55
• 4.3 动力学模型离散化55-57
• 4.4 无约束模型预测控制器设计57
• 4.5 约束模型预测控制算法57-61
• 4.5.1 约束条件57
• 4.5.2 MPC稳定性分析57-60
• 4.5.3 约束MPC算法60-61
• 4.6 数值仿真分析61-66
• 4.6.1 局部镇定器和终端代价函数及终端约束集的解61-64
• 4.6.2 仿真条件及结果64-65
• 4.6.3 结果分析65-66
• 4.7 本章小结66-67
• 第5章 交会制导策略的性能分析67-73
• 5.1 引言67
• 5.2 初始点可行域67-68
• 5.3 约束要求68-69
• 5.4 交会时间69-70
• 5.5 性能指标和能耗指标70-72
• 5.6 本章小结72-73
• 结论73-75
• 参考文献75-79
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果79-81
• 致谢81

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前9条

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本文编号：571264