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《西北工业大学》 2007年
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编队航天器相对运动分析与控制

张连礼  
【摘要】:论文对卫星的相对运动及摄动进行了较为详细地分析,研究了编队卫星相对轨道设计及其控制律,最后研究了编队卫星的相对姿态控制方法。主要研究内容包括: 1)分别从轨道动力学和运动学出发,分析了不同相对轨道要素和相对位置参数对编队卫星相对轨道的影响,推导出了较为精确的相对运动方程及其简化的相对运动方程,并分别就其方程简化而导致的模型误差进行仿真分析,结果表明,运动学方程的模型误差较小。根据相对轨道的摄动理论,分析了影响编队卫星相对轨道的摄动因素;从动力学出发,推导了大气阻力摄动与地球扁率摄动的相对摄动表达式,并就其对相对轨道影响进行仿真分析,分析表明,在摄动影响下,相对轨道发生漂移;摄动对各个方向的影响不同,在卫星运动方向产生的漂移最大。 2)分别利用运动学和动力学方法研究了编队卫星的轨道设计方法,并在理论上对这两种方法进行了比较。然后,研究了摄动对编队整体轨道和编队相对轨道的影响,并进行了仿真分析,仿真结果显示,摄动对编队整体轨道的影响要大于对相对轨道的影响。最后,根据轨道相对运动学误差方程,推导出了相对轨道位置控制律,仿真分析表明,相对位置误差很快趋于误差范围之内。 3)对相对姿态进行了运动学和动力学分析,重点研究了相对姿态四元数运动方程。随后,分析了地球引力梯度力矩和大气阻力力矩对相对姿态的影响。 4)根据相对姿态的欧拉轴分解定理,设计了基于四元数反馈的相对姿态机动控制律,并对相对姿态控制律进行了仿真分析。首先,推出了装有反作用轮的编队卫星动力学与运动学方程,结合欧拉轴分解定理和相对偏差四元数运动方程,推导出了编队卫星相对姿态机动控制律;随后,用Lyapunov稳定理论,验证了控制系统的稳定性;最后,对相对姿态控制律进行仿真,仿真结果表明:控制系统能很快地使编队卫星达到期望姿态,并且很好得控制了反作用轮转速饱和现象。
【学位授予单位】:西北工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:V448.2

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