洛倫茲航天器軌道懸停及其姿態(tài)控制方法研究.pdf

1、洛倫茲航天器，作為一種新概念航天器，通過改變其自身表面的電荷量，在地磁場中運動時切割磁感線產(chǎn)生變化的洛倫茲力，在無工質(zhì)消耗軌道機動、控制加速度誤差補償和衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整等方面具有很大的應(yīng)用潛力和發(fā)展空間。本文基于航天器懸停工程任務(wù)，研究了洛倫茲航天器作為伴隨衛(wèi)星在整個任務(wù)過程中需要的軌道姿態(tài)控制方法。主要研究工作和主要成果如下：
　　1.基于航天器二體相對運動動力學(xué)方程，引入帶電航天器在地磁場中受到洛倫茲力加速度項，建立了洛倫茲力輔助

2、懸停動力學(xué)模型。通過數(shù)值仿真研究了地球均勻電場和J2攝動條件對航天器相對運動的影響，分析了洛倫茲力輔助懸停的可行性。
　　2.分別對圓參考軌道和橢圓參考軌道、帶電與非帶電航天器的懸停特性進行分析。研究并改進了一種基于能量最優(yōu)的電磁力輔助懸?？刂品椒?。分析了軌道半長軸、偏心率、懸停構(gòu)型、J2項攝動等因素對航天器懸停周期速度增量的影響，以及洛倫茲力輔助懸停節(jié)約工質(zhì)消耗的效果。
　　3.研究了洛倫茲航天器開展空間任務(wù)前的軌道機動最

3、優(yōu)控制問題?；诟咚箓巫V法，分析了利用洛倫茲力作為推力實現(xiàn)無工質(zhì)消耗軌道機動的可行性，并以控制能量最優(yōu)為指標設(shè)計了軌道機動的過程軌跡。針對軌道機動和軌道懸停過程中存在的外部擾動，J2攝動及各種誤差影響，設(shè)計了基于LQR的閉環(huán)跟蹤控制器和非線性積分滑模控制器，保證伴隨航天器在軌道機動和懸停過程中的穩(wěn)定性。
　　4.利用四元數(shù)描述了洛倫茲航天器的姿態(tài)運動情況，建立了姿態(tài)誤差動力學(xué)模型，研究了其對目標航天器的全狀態(tài)趨同的控制方法?？紤]目

4、標航天器為非合作目標，設(shè)計非線性觀測器估計其角速度，驗證估計值可以逐漸趨近于真實值。利用一種新型解決二次型最優(yōu)控制問題的θ-D方法，研究了存在洛倫茲力矩擾動和模型不確定性時的姿態(tài)跟蹤問題。
　　5.研究了洛倫茲航天器在軌服務(wù)期間的高精度姿態(tài)穩(wěn)定與姿態(tài)調(diào)整控制問題。利用預(yù)測濾波方法來確定模型誤差和外界擾動并對其進行了補償，并基于航天器姿態(tài)誤差模型和李雅普諾夫穩(wěn)定理論設(shè)計了一種退步控制方法。實現(xiàn)了洛倫茲航天器大角度快速姿態(tài)機動，滿足控