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卫星编队飞行的动力学与控制技术研究

张玉锟  
【摘要】: 随着空间技术的发展,现代小卫星正在日益走向成熟,必将在现代社会中发挥出越来越大的作用。卫星编队飞行这一概念的提出,为小卫星开辟了新的应用方向和发展空间,受到国内外学者的普遍关注。本文从动力学和控制的角度出发,对卫星编队飞行进行了有益的探索和研究。 首先基于二体假设,采用两种方法系统地研究了圆或近圆轨道上卫星编队飞行的构成机理。动力学方法从CW方程的解析解出发,证明了绕飞轨道是以参考卫星为中心的椭圆,定义了绕飞轨道的描述参数并给出了其表达式。运动学方法通过一阶近似,得到了运动学形式的绕飞条件和绕飞方程,给出了绕飞轨道各参数的表达式。然后,重点讨论了空间圆和当地水平面投影圆两种绕飞轨道。在绕飞方程的基础上,揭示了绕飞编队的构成机理,分别基于两种方法实现了绕飞编队的轨道设计,并结合数值算例进行了比较。另外,还分析了绕飞编队中环绕卫星间的相对运动,讨论了几种非绕飞编队以及复杂构型的编队。 摄动因素对卫星编队飞行的影响以及如何尽量减小摄动影响是应用中非常关心的问题,本文考虑地球扁率和大气阻力两种摄动因素,对此进行了研究。首先,在CW方程的基础上,分别求解了地球扁率的整体摄动和相对摄动,分析了摄动规律。接着,基于一阶摄动解,得出了等半长轴绕飞编队的长期相对摄动规律,并通过调整环绕卫星的半长轴消除了长期相对摄动。文中还研究了大气阻力对卫星编队飞行的影响。 对椭圆轨道上的卫星编队飞行的进行了研究。在二体假设下,推导了椭圆轨道上相对运动方程的近似形式。进而,讨论了各种可能的编队,重点研究了绕飞编队。在地球扁率摄动一阶解的基础上,分析了等半长轴编队飞行的长期相对摄动规律,并提出了消除长期相对摄动的编队设计方法,即调整环绕卫星的半长轴。 卫星编队的保持与控制是编队飞行的一项关键技术,本文对此进行了深入研究。概述了编队控制任务,给出了一种分层控制结构。在相对运动二冲量最优控制的基础上,求解了编队规划问题。基于不同的相对运动动力学模型,提出了两种无速度测量的非线性控制律:一是基于精确的非线性模型,通过使用滤波器,避免了相对速度的测量;二是采用带干扰的线性模型,在线性二次型最优控制和线性系统状态观测器的基础上,设计了一种无速度测量非线性鲁棒控制律。 基于MRP参数研究了卫星姿态跟踪问题。使用鲁棒性较强的滑模控制方法设计了控制律:滑动模态是指数收敛的;在有界干扰力矩存在时,任意初始状态都可以在有限的时间内收敛到滑动平面;对于转动惯量未知的情形,设计了自适应律,趋近模态是渐近收敛的。


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