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《清华大学》 2009年
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卫星编队飞行相对姿态动力学与控制

张治国  
【摘要】: 本文主要对编队飞行中涉及到相对姿态的动力学与控制问题作了探索和研究,旨在为卫星编队飞行的设计和应用提供有益的理论基础。 本文首先在编队构形的研究基础上,给出了伴随卫星绕飞(伴飞)轨道设计的一些参考准则。这些参考准则仅适用于主星近圆轨道、不考虑摄动影响等因素的理想编队,没有涉及主星大偏心率椭圆轨道和非理想情况。 对于伴随卫星跟踪观测目标卫星,如果任务中没有其它条件的限制,伴随卫星的期望姿态是不确定的。因此需要增加一些约束条件来完成期望姿态的规划设计。本文采取了根据轨道信息确定期望姿态和根据相对位置信息确定期望姿态两种方式,并分别增加了角速度约束和四元数约束。还在太阳帆板法线方向尽量对准太阳的限制下,研究姿态控制问题。这可以扩展到编队中一颗卫星同时和两颗卫星通讯的应用。采用基于四元数反馈的控制律,可以实现编队中相对姿态的长时间、大角度的姿态跟踪机动。对该控制律,利用Lyapunov稳定性定理证明了闭环系统的渐近稳定性。 对于编队飞行相对姿态一致保持的情况,四元数反馈控制律依然可用。如果目标卫星、追踪卫星的姿态角、姿态角速度相差足够小时,可以近似的认为姿态相对运动学方程为互相解耦的关系式。可在此前提下进行控制律设计,例如利用线性二次型的设计方法。 追踪卫星观测失效的目标卫星特定面,追踪卫星必须同时进行相对轨道和相对姿态的跟踪控制。本文给出了编队飞行中相对位置和相对姿态的动力学方程,研究了一种可能的相对位置和相对姿态的跟踪控制方法。控制律中进一步考虑目标卫星转动惯量的不确定性,通过算法逼近了转动惯量比值的真实值。本文给出一种三角形编队队形保持的策略。通过相对轨道和姿态的联合控制,保证了卫星之间距离保持不变。由于三角形结构的特点,从而维持了三角形编队队形。但此方式不保证编队队形整体方位的不改变。 最后初步讨论了平面情况下太阳帆航天器的姿态被动稳定。设计不对称的太阳帆结构,仿真验证了此结构可以用于螺线轨道的太阳帆姿态被动稳定。
【学位授予单位】:清华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:V448.2

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【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前2条
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2 孟子阳;基于一致性算法的多航天器姿态协同控制研究[D];清华大学;2010年
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1 安晓风;卫星相对姿态智能自适应控制及分布式仿真技术研究[D];北京理工大学;2016年
2 赵逸伦;基于对偶四元数的航天器相对导航算法研究[D];南京航空航天大学;2016年
3 孙启龙;三轴卫星模拟器快速自动配平方法研究[D];哈尔滨工业大学;2014年
4 李俊良;卫星编队飞行相对轨道控制[D];西安电子科技大学;2013年
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7 霍明英;编队飞行卫星物理仿真系统设计及分析[D];哈尔滨工业大学;2011年
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【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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【共引文献】
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【同被引文献】
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 李昆吉;FPGA动态可重构技术及其应用研究[D];哈尔滨工业大学;2012年
2 李江游;双目视觉位姿估计算法研究[D];黑龙江大学;2012年
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5 马飞;可重构飞轮模拟器研制[D];哈尔滨工业大学;2011年
6 付世勇;基于对偶四元数的编队飞行卫星自主相对导航算法研究[D];南京航空航天大学;2010年
7 丁朋;凸优化在大规模机器学习中的应用[D];华东理工大学;2011年
8 郑博;小卫星设备模拟器研制[D];哈尔滨工业大学;2010年
9 梁海朝;编队卫星的姿态协同控制与输入时延的补偿方法研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
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【二级引证文献】
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1 郗欣甫;多色多绒高簇绒地毯织机提花控制技术研究[D];东华大学;2018年
2 张健;多航天器编队姿态协同控制算法研究[D];哈尔滨工业大学;2017年
3 孙延超;多Euler-Lagrange系统分布式协同跟踪控制研究[D];哈尔滨工业大学;2016年
4 刘付成;模块化航天器分布式协调控制方法研究[D];哈尔滨工业大学;2014年
5 张海博;有向通讯拓扑下多航天器系统分布式协同控制[D];哈尔滨工业大学;2013年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 林海奇;三轴气浮台质量特性优化设计及其参数辨识方法研究[D];哈尔滨工业大学;2018年
2 赵跃明;探月双星编队任务的轨道设计及控制[D];哈尔滨工业大学;2018年
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7 王月东;基于李雅普诺夫函数的双星编队控制研究[D];中北大学;2017年
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【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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5 王黎沁;曾国强;胡敏;;编队飞行卫星碰撞概率及碰撞规避策略仿真分析[A];2009系统仿真技术及其应用学术会议论文集[C];2009年
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7 刘彦波;曾国强;姚红;;航天器紧密编队动力学模型及仿真[A];'2010系统仿真技术及其应用学术会议论文集[C];2010年
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10 马雯;张翔伦;;基于鲁棒特征结构配置的飞翼飞机横侧向控制律设计[A];探索 创新 交流——第六届中国航空学会青年科技论坛文集(上册)[C];2014年
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2 本报记者 熊丽;空中机器人化身舞者[N];经济日报;2017年
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5 记者 冯志文;以研制可编队飞行的纳米级卫星[N];科技日报;2012年
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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3 倪良巧;基于智能技术的多无人机协同编队飞行[D];南京航空航天大学;2016年
4 殷雅婷;日地三角平动点航天器编队飞行控制[D];安徽大学;2018年
5 成成;多无人机协同编队飞行控制关键技术研究[D];中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所);2018年
6 谢中秋;电磁编队飞行网络化控制方法研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
7 李宏艳;输入受限的航天器编队飞行姿态协同控制[D];黑龙江大学;2015年
8 鄂龙慧;基于仿生视觉的无人机编队飞行技术研究[D];南京航空航天大学;2009年
9 刘成功;无人机仿生紧密编队飞行控制技术研究[D];南京航空航天大学;2009年
10 霍明英;编队飞行卫星物理仿真系统设计及分析[D];哈尔滨工业大学;2011年
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