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《中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心)》 2006年
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小卫星编队飞行队形控制与仿真

吴霞  
【摘要】:利用小卫星编队飞行,多颗卫星协同工作,组成一个巨大的“虚拟大卫星”,依靠大的孔径和测量基线,在完成单个大型空间飞行器功能的同时,大幅降低成本和风险,最大限度地消除卫星故障对任务的影响。因此卫星编队飞行越来越引起人们的重视,将在电子侦察、立体成像,导航定位、卫星遥感等方面发挥重要作用。本文重点对小卫星编队飞行进行了以下几方面的研究。 介绍了编队飞行的相对动力学表示方法,推导了参考星为圆轨道的Hill方程相对运动学模型,给出了几种常见的编队飞行队形及其在Hill方程下需满足的初始化条件。分析表明:以基于Hill方程和参考星轨道根数求得的环绕卫星轨道根数为初始状态,所形成编队的队形不能长期保持稳定,为此以圆形编队为例,本文提出了Hill方程初始化条件修正,得到环绕星与参考星的轨道半长轴近似相等,以使编队队形具有较高的稳定性。 卫星编队飞行队形在摄动力的作用下不能保持稳定,需要进行编队队形保持控制。本文给出了以Hill方程为相对动力学模型的线性二次型控制,并提出了一种基于STK的控制仿真实现方法。利用STK中的嵌入式脚本(Plug-in),将由控制算法得到的队形保持控制力,添加到STK轨道计算的力学模型中,从而进行队形保持控制。对控制后编队队形的稳定性分析表明,为保持控制后编队队形的稳定,队形保持控制力停止作用的条件为:控制系统达到稳态,且环绕星与参考星的轨道半长轴相等。 如何减少能量消耗是编队队形长期控制中的关键问题之一。本文用参考星的纬度幅角与近地点幅角及初始时刻真近点角之差来代替ωt,一定程度上减小了相对运动模型误差,从而降低了进行长期队形保持消耗的能量。文中同时对多种不同控制策略下的队形保持控制问题进行了实例仿真,分析了不同控制策略下的控制精度、能量消耗等问题。 对编队飞行队形重构控制,提出了一种假定队形重构前后各环绕卫星相位角不变的卫星跟踪重构控制策略,采用线性二次型最优控制方法对卫星编队重构进行了研究。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:V448.2

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