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卫星相对姿态智能自适应控制及分布式仿真技术研究

安晓风  
【摘要】:卫星相对姿态协同控制是编队飞行中的重要组成部分,本文对卫星编队飞行相对姿态控制方法和分布式仿真技术进行研究。在对单颗卫星姿态模型研究和结合现有科研成果的基础上,研究了卫星编队飞行的相对姿态建模方法和控制律设计方法。针对伴随航天器相对于参考航天器绕飞的条件建立了相对姿态动力学模型,研究了滑模变结构控制、反步法和基于RBF神经网络的自适应控制方法,为航天器编队飞行系统的分析以及相对姿态控制器设计提供了一定的理论依据。另外,针对数学仿真的局限性,设计并开发了由仿真计算机、嵌入式星载控制器、飞轮模拟器等组成的卫星相对姿态控制分布式仿真系统,为编队卫星姿态跟踪算法的仿真验证提供了有效的技术手段。主要研究成果和创新点如下:1)推导了卫星编队飞行的相对姿态动力学误差模型和相对姿态运动学误差模型,该模型描述了卫星编队飞行过程中伴随星本体坐标系相对主星本体坐标系的相对姿态运动情况。研究了编队卫星姿态跟踪情况下的协同控制和稳定性问题,在摄动力干扰存在的情况下,分别采用滑模变结构控制方法和反步法设计了全状态反馈的相对姿态控制律。2)在系统模型不准确的情况下,利用神经网络可以逼近任意复杂的非线性控制系统的特性,研究卫星相对姿态神经网络智能自适应控制算法。通过神经网络的训练学习,能够根据系统的可测状态准确的估计出系统的未知参数。采用滑模变结构与神经网络相结合的方法设计卫星编队飞行相对姿态RBF神经网络滑模控制律,利用神经网络的自学习能力,根据控制量和滑动面实时调节控制参数,在整个控制过程中取得到达速度、减弱系统抖振的平衡。3)设计了卫星编队相对姿态控制动态闭环仿真系统,该仿真系统由软硬件部件模拟器按真实卫星姿态控制系统组成,展示卫星姿态控制系统各部分的工作情况和相互协作关系。作为算法控制效果验证、器件信号的分析与调试、部件故障检测等多种工作的工具,为下一步半实物仿真实验打下坚实的基础。


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