集群航天器构形设计及一体化动力学与控制

发布时间：2017-09-13 23:42

  本文关键词：集群航天器构形设计及一体化动力学与控制

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【摘要】：集群航天器是通过无线连接方式构成的虚拟航天器系统,具有在轨灵活性、可扩展性、可维护性和快速响应能力,研究集群航天器对于加快快速响应空间系统的建设速度,增强空间技术创新能力和提高新型航天器研制水平具有重要意义。为满足集群航天器模块间能量传输、数据交互的需要和应用需求,本文研究了集群航天器空间圆形编队问题,进而引出集群航天器编队构形保持问题,为避免采用姿态和轨道分别描述和设计控制器造成顾此失彼的被动局面,研究了集群航天器姿轨一体化动力学建模问题和姿轨一体化控制问题。论文的主要内容如下：针对集群航天器空间圆形编队问题,基于平均轨道要素差建立了无摄相对运动模型,给出了空间圆形编队构形设计流程。当零J2摄动条件不再适用时,通过分析J2摄动对编队构形的影响,进而提出修正公式,仿真结果表明,该修正公式能有效抑制编队构形的迹向漂移。由于修正公式只是抑制而非消除主、从航天器相对位置误差的发散趋势,因此还需对航天器加以控制。针对集群航天器姿轨一体化动力学建模问题,采用对偶四元数框架体系,给出了传统参数的对偶四元数描述,建立了单航天器姿轨一体化动力学模型,进而拓展到可同时描述航天器间相对姿态和相对轨道运动的两航天器相对姿轨一体化动力学模型。该相对动力学模型形式简洁,避免了传统姿态描述方法存在的奇异性和繁琐的运算,可用于集群航天器姿轨一体化控制器设计。针对集群航天器姿轨一体化控制问题,将控制问题即编队构形保持问题分为两类跟踪问题并分别设计姿轨一体化控制器。一是主航天器按预定轨道运行,同时跟踪任务要求的期望姿态运动,设计了反馈线性化-广义PD控制器和近似函数-滑模控制器,仿真结果验证了控制算法的有效性。二是从航天器相对虚拟主航天器的运动满足编队构形设计的轨迹,同时跟踪任务要求的期望姿态运动,设计了改进的鲁棒自适应控制器,仿真结果表明该控制器能有效抑制执行机构的输出饱和问题。
【关键词】：集群航天器 对偶四元数 平均轨道要素 一体化动力学与控制
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V448.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-17
• 1.1 课题背景与意义10-12
• 1.1.1 课题来源与研究背景10-11
• 1.1.2 研究目的与研究意义11-12
• 1.2 国内外研究现状及分析12-15
• 1.2.1 航天器编队构形设计研究现状12-13
• 1.2.2 航天器相对动力学建模方法研究现状13
• 1.2.3 航天器编队控制方法研究现状13-15
• 1.3 主要研究内容15-17
• 2 基础理论17-30
• 2.1 引言17
• 2.2 轨道理论基础17-21
• 2.2.1 轨道要素17-18
• 2.2.2 坐标系定义18-19
• 2.2.3 坐标变换19-20
• 2.2.4 矢量求导20-21
• 2.3 数学理论基础21-27
• 2.3.1 四元数定义21
• 2.3.2 四元数运算法则21-24
• 2.3.3 对偶四元数定义24-25
• 2.3.4 对偶四元数运算法则25-27
• 2.4 非线性控制理论基础27-29
• 2.4.1 控制器稳定性理论27-28
• 2.4.2 控制方法基本理论28-29
• 2.5 本章小结29-30
• 3 集群航天器空间圆形编队问题30-48
• 3.1 引言30
• 3.2 无摄相对运动模型30-35
• 3.2.1 平均轨道要素30-31
• 3.2.2 相对运动方程31-35
• 3.3 编队飞行的构形设计35-41
• 3.3.1 空间圆形编队构形设计流程35-37
• 3.3.2 J2摄动对构形的影响及修正37-40
• 3.3.3 轨道要素的转换和摄动方程40-41
• 3.4 数值仿真与结果分析41-47
• 3.5 本章小结47-48
• 4 集群航天器姿轨一体化动力学建模48-58
• 4.1 引言48
• 4.2 传统参数的对偶四元数描述48-51
• 4.2.1 姿态和位置48-49
• 4.2.2 角速度和速度49-50
• 4.2.3 质量和惯性矩阵50
• 4.2.4 动量和角动量50-51
• 4.3 集群航天器姿轨一体化动力学模型51-57
• 4.3.1 单航天器姿轨一体化动力学模型51-53
• 4.3.2 两航天器相对姿轨一体化动力学模型53-57
• 4.4 本章小结57-58
• 5 集群航天器姿轨一体化控制器设计58-82
• 5.1 引言58
• 5.2 期望轨迹生成策略58-63
• 5.2.1 主航天器期望轨迹生成策略58-60
• 5.2.2 从航天器的期望轨迹生成策略60-63
• 5.3 主航天器姿轨一体化控制器设计63-66
• 5.3.1 反馈线性化-广义PD控制器63-66
• 5.3.2 近似函数-广义PD控制器66
• 5.3.3 近似函数-滑模控制器66
• 5.4 从航天器姿轨一体化控制器设计66-70
• 5.4.1 鲁棒自适应控制器67
• 5.4.2 改进的鲁棒自适应控制器设计67-70
• 5.5 数值仿真与结果分析70-81
• 5.5.1 主航天器仿真算例71-77
• 5.5.2 从航天器仿真算例77-81
• 5.6 本章小结81-82
• 结论82-83
• 参考文献83-90
• 附录A 单位四元数与坐标变换矩阵的关系90-92
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况92-93
• 致谢93-94

【参考文献】

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本文编号：846598