卫星电磁编队飞行动力学与控制

发布时间：2017-09-17 02:30

  本文关键词：卫星电磁编队飞行动力学与控制

  更多相关文章： 卫星电磁编队 滑模控制 输入饱和 解耦控制 角动量管理

【摘要】：卫星编队飞行系统由以特定几何构型在轨飞行的多颗小卫星组成,成员间能够进行信息共享和相互协同,从而完成复杂的空间任务。传统卫星编队飞行系统的队形保持及改变主要依赖于推进剂,对于长时间编队任务,这将带来大量燃料消耗。卫星电磁编队系统中每颗卫星配备三个互相正交的高温超导线圈,通过控制各线圈内的电流强度产生可变电磁力和力矩,并结合飞轮或控制力矩陀螺实现卫星间相对距离和姿态的控制。由于线圈和姿态控制器均由电流驱动,而产生电流的能量可以从太阳能帆板获取,故卫星电磁编队飞行中相对轨道和姿态的维持或改变不需要消耗任何燃料,理论上移除了推进剂对在轨寿命的限制。本文针对卫星电磁编队飞行系统中存在的各种问题展开深入研究,包含如下几个部分:首先,被广泛使用的电磁力远距模型近距离处误差较大,形式复杂,不宜于直接应用于控制器设计。本文通过在场-源相对位置近似时保留高阶项,推导出一种精度更高的修正远距模型,然后采用磁偶极矩定向配置简化模型复杂度,从而去除磁偶极矩解算过程,使其可以与卫星动力学融为一体用于控制器设计。针对磁偶极矩定向配置,本文以数值仿真和理论分析相结合的方式,从模型精度、电磁力输出效率和电磁力矩配比三个方面说明了其应用的合理性。其次,高温超导线圈中通过的最大电流有限,且随着线圈相对距离增大,电磁力会急剧减小,故在控制器设计时需要考虑输入饱和。此外,编队飞行系统通常对队形快速重构有要求,故实现输入饱和约束下的轨迹快速跟踪具有重要意义。本文基于滑模控制框架,分别提出基于饱和度近似的滑模控制和基于自适应切换到达律的滑模控制两种方法来解决上述问题。第一种方法通过对饱和度的估计构造自适应律,利用有限时间到达思想实现到达律的设计。第二种方法以给定饱和限值后控制力的最大效率利用和抖动减免为设计理念,使用连续型控制分量,并引入调节函数对到达律进行自适应切换实现控制目标。两种方法中都在理论分析中考虑了有界外扰和输入饱和,具有较强的鲁棒性。第三,卫星电磁编队飞行系统动力学模型耦合十分严重,每颗卫星电流的改变都会对系统整体磁场产生影响,进而波及其余所有卫星,故多星电磁编队控制较为复杂。本文研究基于频分法思想的解耦控制,以自适应学习型滑模控制为例,分析了频分法在电磁编队飞行系统动力学解耦中带来的控制问题,并通过两种方式解决该问题。在第一种方式中,通过引入输入速率饱和确保频分法的有效性,提出了一种基于LMI的优化方法实现队形重构。在第二种方式中,则通过引入反馈滤波器确保频分法的有效性,并以滑模控制为例进行了分析讨论。第二种方式相对第一种方式更加简单、灵活,适用于时变轨迹跟踪。第四,卫星电磁编队系统中电磁力的使用会同时带来电磁力矩,而电磁力矩可能会造成角动量的持续积累,致使卫星姿态控制器失效。本文利用一组磁偶极矩系数和力矩比系数参数化磁偶极矩解,以解析的方式分析在电磁力受限和自由两种情况下电磁力矩配比的范围以及电磁力矩的最小化。进一步,结合卫星相对轨道动力学给出了无力矩队形,并以滑模控制为例探讨了队形重构过程对角动量积累的影响。最后,针对角动量持续积累的问题,本文提出一种利用地磁场实现角动量卸载的方法。该方法特点是通过交-直电磁场混合使用来解开角动量卸载及编队控制间的耦合。在任意时间段内只有一颗候选卫星被激活执行角动量卸载,该卫星产生的磁偶极矩含有交变分量和定常分量两种,其中定常分量与地磁场相互作用完成角动量卸载,而交变分量用于队形跟踪或保持。候选星的选取则综合考虑角动量累积量和当前地磁场的卸载效率计算得到。所提方案可以最大程度利用地磁场进行角动量卸载,同时移除一系列现有方法中由磁偶极矩耦合带来的不利因素。
【关键词】：卫星电磁编队 滑模控制 输入饱和 解耦控制 角动量管理
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V448.2
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第1章 绪论12-25
• 1.1 课题背景及研究意义12-13
• 1.2 卫星电磁编队飞行的研究概况13-20
• 1.2.1 卫星电磁编队飞行可行性分析及系统实现13-17
• 1.2.2 卫星电磁编队飞行动力学及控制17-20
• 1.3 本文的主要研究内容20-25
• 1.3.1 问题及解决方案20-22
• 1.3.2 各章节内容22-25
• 第2章 电磁力模型及编队飞行动力学25-46
• 2.1 引言25
• 2.2 电磁力模型及分析25-39
• 2.2.1 电磁力和力矩25-27
• 2.2.2 模型化简27-32
• 2.2.3 简化模型数值仿真32-39
• 2.3 卫星电磁编队动力学模型39-45
• 2.3.1 坐标系定义39-40
• 2.3.2 动力学模型40-45
• 2.4 本章小结45-46
• 第3章 考虑输入饱和的双星编队控制46-74
• 3.1 引言46-47
• 3.2 基于饱和度近似的滑模控制47-61
• 3.2.1 控制方法选取及基本思想47-50
• 3.2.2 控制器及其稳定性分析50-55
• 3.2.3 数值仿真55-61
• 3.3 基于自适应切换到达律的滑模控制61-73
• 3.3.1 控制思想61-62
• 3.3.2 控制器及其稳定性分析62-69
• 3.3.3 数值仿真69-73
• 3.4 本章小结73-74
• 第4章 应用频分法的多星编队解耦控制74-91
• 4.1 引言74
• 4.2 多星编队解耦策略74-81
• 4.2.1 频分法解耦策略75-78
• 4.2.2 频分法引入的控制问题78-81
• 4.3 基于LMI的频分法多星编队解耦控制81-90
• 4.3.1 控制器及其稳定性分析81-87
• 4.3.2 数值仿真87-90
• 4.4 本章小结90-91
• 第5章 双星编队电磁力矩及角动量分析91-107
• 5.1 引言91
• 5.2 双星编队电磁力矩配置91-99
• 5.2.1 电磁力矩分配自由度92-98
• 5.2.2 无电磁力矩队形配置98-99
• 5.3 基于滑模控制的角动量最小化99-106
• 5.3.1 参数优化模型100-102
• 5.3.2 数值仿真102-106
• 5.4 本章小结106-107
• 第6章 多星编队控制及角动量管理107-129
• 6.1 引言107
• 6.2 角动量管理107-116
• 6.2.1 地磁场对电磁编队系统的作用107-110
• 6.2.2 角动量管理方法110-116
• 6.3 基于反馈滤波的频分法六自由度控制116-128
• 6.3.1 反馈滤波方法116-121
• 6.3.2 数值仿真121-128
• 6.4 本章小结128-129
• 结论129-130
• 参考文献130-141
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果141-144
• 致谢144-146
• 个人简历146

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