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拉格朗日点附近编队飞行动力学与控制方法研究

李鹏  
【摘要】:本论文基于深空探测中的三体动力学模型,对拉格朗日点附近的编队飞行技术进行系统和深入分析,针对编队方案设计时所面临的动力学与控制问题,结合三体力学模型与拉格朗日点的动力学特性,对编队方法的关键技术进行研究,力求为未来编队飞行任务的规划、设计提供一定的理论和技术支持,也为今后深空探测技术的发展提供一定的借鉴。主要研究内容包括以下几方面: 研究了三体问题的编队动力学建模和构型设计问题。对拉格朗日点及其动力学机理进行了分析,包括坐标系建立及稳定性等,给出了存在于拉格朗日点附近的解析周期和拟周期轨道,以及校正的数值积分轨道;然后,建立带第四体引力摄动的三体非线性编队动力学方程,为控制方案设计提供前提。同时,基于日地系共线拉格朗日点的Halo轨道解析式定性分析了主要系统参数对构型的影响,针对带第四体引力摄动的非线性编队动力学方程,研究了编队初始化时刻与编队构型有界性的关系,并与线性化方法做了比较。此外,基于Hamilton等能量曲线与微分修正Halo轨道,设计了自然编队方案,为编队系统的方案设计和控制参数的选择提供了基础。 研究了编队飞行的控制系统结构和共线拉格朗日点附近的周期轨道保持控制问题。从编队的控制拓扑角度,分析了编队的集中控制和分散控制结构,并基于多飞行器的线性动力学给出了分散式状态反馈控制器的构造过程,设计了满足燃耗及编队质心指标的平面构型机动,对分散式控制策略的优缺点进行分析。进而,基于日地系共线拉格朗日点附近无控运动的周期性,设计了保持控制方案,对传统靶点法和基于周期轨道单值矩阵的Floquet法进行了仿真研究。使得在存在一定初始轨道偏差条件下,通过轨控方案将飞行器保持在一定精度的轨道范围内,为编队的相对轨道控制及分散式控制提供条件。 研究了共线拉格朗日点附近编队基线的机动与保持控制问题。从线性方案和非线性方案两个角度进行了研究。基于主飞行器和编队的非线性动力学方程,得到编队动力学线性化描述,进而设计线性控制器,在满足一定阈值的条件下,实现编队的机动和保持。然后,根据高精度的控制要求,研究了非线性的编队控制方法。基于编队的非线性状态空间描述和两种RTBP模型,对编队建模的不确定性问题进行分析,并考虑到第四体摄动和光压摄动,利用自适应神经网络设计控制器,有效地补偿建模误差和非线性摄动对编队保持精度的影响。 研究了地月三角拉格朗日点编队及基于编队的干涉任务设计问题。针对地月系三角拉格朗日点的特殊性,在构建了地月L4点附近编队动力学方程的基础上,进行任务分析、编队构型设计等相关研究;基于解析相对运动分析共面主从编队、跟随编队、圆形编队等模式中的初始轨道参数对编队构型的影响。同时,利用ASPRO仿真环境对不同参数的干涉系统进行仿真,得到UV覆盖的定性结论,为参数选择提供一定依据,并针对干涉性能分析与图像重构问题,研究编队飞行器数目及观测次数对图像模拟重构性能的影响,为三角拉格朗日点编队任务设计提供了依据。


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