椭圆轨道航天器交会对接姿轨一体化控制问题研究

发布时间：2020-06-28 10:03

【摘要】：本文以椭圆轨道航天器近距离交会与对接为背景,主要研究了椭圆轨道交会对接姿态一体化控制问题。主要内容包括:首先,运用非线性系统逆最优理论讨论了椭圆轨道交会对接轨道控制问题。当目标航天器处于任一椭圆轨道上运行时,相关模型参数如轨道角速度等都是时变的,较难获取它们的信息。为了避免这些时变的轨道参数,引入了一种基于以真近点角θ为独立变量的模型变换方法,通过对变换后的模型进行分析,利用非线性系统逆最优理论对其进行控制器设计,使得两个航天器的相对位移和相对速度都收敛到原点,且所设计的控制器对于给定的代价函数是最优的。进一步,基于以时间t为独立变量的动力学模型,将自适应控制理论与非线性系统逆最优理论结合在一起,在考虑存在模型参数不确定性的情形下进行控制器设计,所设计的控制器不仅能使整个闭环系统渐近稳定,且可以精准估计模型中不确定性参数的上界,同时对于给定的代价函数是最优的。其次,运用非线性离散模型输入-状态稳定性理论讨论了椭圆轨道交会对接采样控制问题。首先对基于以时间t为独立变量的连续动力学系统进行离散化处理,在离散后的模型基础上,分析了其与原系统精确离散模型的一步一致性,然后在考虑原系统存在外部有界扰动的情形下,运用非线性离散模型输入-状态稳定性原理给出了一套采样控制器设计方案,所设计的控制方案不仅能使整个闭环系统输入-状态稳定,而且对外部有界扰动进行了有效地抑制。随后,运用有限时间输入-状态稳定性理论讨论了椭圆轨道交会对接姿轨一体化控制问题。首先通过设计追踪航天器推进器构型布局将交会对接轨道控制回路与姿态控制回路耦合到一起,给出了椭圆轨道交会对接姿轨一体化动力学模型。然后在考虑存在外部有界扰动的情形下,运用非线性系统有限时间输入-状态稳定性理论进行了控制器设计,该控制器不仅使两个控制回路上的状态量在有限时间内收敛到原点附近的小邻域内,还有效地抑制了外部有界扰动。最后,运用向量Lyapunov函数方法讨论了椭圆轨道交会对接姿轨一体化控制问题。由于在向量Lyapunov函数方法在处理强耦合非线性级联系统中有独特的优势,本文首先在向量Lyapunov函数方法的框架下给出了一般非线性级联系统输入-状态稳定的判定条件。然后基于椭圆轨道交会对接姿轨一体化动力学系统,利用向量Lyapunov函数方法对其进行了鲁棒控制方案设计,该控制器可以保证整个闭环系统的输入-状态稳定性。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V448.2;TP13
【图文】：

图１．１航天器交会对接示意图逡逑：逡逑离阶段逡逑踪航天器和目标航天器处于完全分离的轨道上。例或另一个行星的表面或沿双曲线的行星际空间航天器之间是不可见的，但是目标航天器的轨道离变轨逡逑航天器会在远离目标航天器的轨道上向目标漂低的轨道上慢慢靠近目标航天器，追踪航天器后方的位置。远距离变轨有几个优势，一是能过瞄准，确保下一次校正与第一次轨道转移方向。逡逑离交会逡逑会过程中，通过一系列小推进器的作用，使追踪

图１．２神舟八号与天宫一号交会对接示意图逡逑

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本文编号：2732882