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绳系卫星空间交会制导与控制方法研究

何勇  
【摘要】:绳系卫星系统(TSS)的提出为人类太空建设开辟了一条崭新的道路,在“空间系统维护与支援”方面具有重要的应用潜力,而为使这一应用变为现实,绳系卫星交会制导与控制的方法是个亟待解决的重要问题。针对这一问题,本文以国家863航天领域某重点项目为研究背景,开展了绳系卫星与共面/异面目标的交会制导与控制方法研究,主要内容如下: 论文对绳系卫星的子星与共面/异面目标的交会任务及其制导与控制策略进行了设计,为解决子星与共面目标交会方式的判断问题,提出了实现子星轨道面改变的必要条件,且此条件简化了子星与共面目标交会制导与控制策略及其相应算法构建的复杂性。研究的交会阶段为接近和相对位姿保持这两个阶段,为修正接近段的起始偏差和对TSS性能指标函数进行优化,将接近段分为初始接近和最终逼近这两 个阶段。其次,对绳系卫星的子星与共面目标的交会制导与控制方法进行了研究,并解决了以下两个问题:针对如何延长子星与共面目标相对位置保持的时间问题,提出了两种控制方法,即系绳拉紧状态下系绳速率与变结构控制的联合控制法和系绳松弛状态下的变结构控制法,所提的方法均考虑了存在模型的不确定性和外界干扰的情况,分析并指出了控制误差产生的主要原因和减小其对控制误差影响的方法;针对如何控制子星与共面目标相对姿态保持的问题,提出了借助Lyapunov函数来构建相对姿态保持的控制方法,且该方法能用于系绳拉力力臂未知的情况,具有对参数不确定性的鲁棒和对一般外干扰的抑制相结合的优点。除此之外,还包括接近段的制导与控制方法研究。其中,在初始接近段中,借助轨迹规划法来完成制导算法的构建,通过系绳速率与变结构控制法的联合来完成所需控制方法的组建,且对所组建控制方法的稳定性进行了分析;在最终逼近段中,介绍了最优控制问题提出的原因,并采用Gauss伪谱法来完成逼近段的优化控制,给出了所求解为最优解时,Hamilton函数应满足的条件,即Hamilton函数沿最优轨线保持常数。 最后,对绳系卫星的子星与异面目标的交会制导与控制方法进行了研究,并解决了以下两个问题:针对如何判断子星与异面目标交会方式的问题,提出了系绳参数与目标质心轨道面在系绳松弛瞬间时的关系式;针对子星与异面目标相对位置保持时间短的问题,提出了系绳为松弛状态下的变结构控制法,为已有方法增添了一种能用于存在模型不确定性和外界干扰情况下的相对位置保持方法。然而,在研究子星与异面目标的相对位置保持控制方法中也对系绳拉紧时的控制方法进行了研究,其目的是为了说明系绳松弛时的控制方法要优于系绳拉紧时的控制方法。除此之外,也对子星与异面目标接近段的制导与控制方法进行了研究,和子星与共面目标研究所不同的是子星与异面目标接近段的制导与控制方法考虑了目标质心轨道面的影响。


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