基于大氣阻力微納衛(wèi)星編隊軌道與姿態(tài)控制研究.pdf

1、隨著微納衛(wèi)星技術的蓬勃發(fā)展，由多顆微納衛(wèi)星協(xié)同工作構(gòu)成微納衛(wèi)星編隊系統(tǒng)無論在研發(fā)設計、成本消耗還是風險評估等方面均優(yōu)于結(jié)構(gòu)復雜的單顆大衛(wèi)星。微納衛(wèi)星編隊飛行技術成為了近年來空間研究領域的熱點。其中，衛(wèi)星自主控制技術是微納衛(wèi)星編隊系統(tǒng)的關鍵技術之一。微納衛(wèi)星的姿態(tài)穩(wěn)定和編隊構(gòu)型完整是衛(wèi)星編隊正常工作的前提和基礎。傳統(tǒng)控制執(zhí)行系統(tǒng)一般為主動力控制系統(tǒng)，要求衛(wèi)星攜帶一定推進燃料。主動力控制系統(tǒng)增加了小衛(wèi)星整體設計、研發(fā)成本和發(fā)射風險等難度。利

2、用大氣阻力控制衛(wèi)星運動屬于被動力控制。不需要推進裝置和推進劑，符合小衛(wèi)星體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單等特點。本文基于被動力控制系統(tǒng)無污染、成本低等優(yōu)勢，對大氣阻力微納衛(wèi)星編隊軌道運動控制及衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定控制問題進行了研究。
　　首先，本文對大氣阻力控制微納衛(wèi)星編隊軌道運動的理論基礎進行了研究。建立了一個完整的非線性動力學相對運動模型，分析了衛(wèi)星編隊徑向與沿航跡向相對運動耦合關系。然后，研究了近地軌道環(huán)境攝動力對編隊構(gòu)形的影響。介紹了三種

3、經(jīng)典的編隊設計構(gòu)形以及相應的飛行任務。設計了基于自適應滑模控制原理的大氣阻力非線性衛(wèi)星軌道控制系統(tǒng)。分別對三種編隊軌道保持控制和構(gòu)形重構(gòu)控制進行了仿真驗證。仿真結(jié)果表明，在外界擾動以及初始誤差存在情況下，設計控制系統(tǒng)實現(xiàn)構(gòu)形保持和構(gòu)形重構(gòu)控制性能良好，具有較強的魯棒性。
　　本文繼續(xù)深入研究滑模控制理論，設計了一個基于 Terminal滑?？刂评碚摲蔷€性編隊軌道構(gòu)形控制系統(tǒng)。利用 Terminal滑?？刂圃碓谟邢迺r間內(nèi)收斂狀態(tài)跟

4、蹤誤差至零的特點，提高控制器實現(xiàn)編隊控制的時效性?？紤]衛(wèi)星相對運動非線性項以及外界攝動干擾情況下，對基于大氣阻力 Terminal滑?？刂葡到y(tǒng)的控制性能進行仿真分析。仿真結(jié)果表明，在有限時間內(nèi)，衛(wèi)星軌道運動能夠迅速達到收斂狀態(tài)，控制系統(tǒng)魯棒性良好。
　　最后，本文基于大氣阻力控制衛(wèi)星姿態(tài)進行了相關研究。以歐拉角描述方法建立了衛(wèi)星姿態(tài)運動方程。設計了在衛(wèi)星上安裝兩對反向氣動板的衛(wèi)星配置，以氣動板的轉(zhuǎn)角作為控制輸入量。由于大氣阻力受自