超穩(wěn)定衛(wèi)星編隊飛行控制方法研究.pdf

1、衛(wèi)星編隊飛行和Drag-Free(國內一般譯作無阻力或無拖曳)技術是未來空間科學任務的關鍵基礎,一方面需要多顆衛(wèi)星協(xié)同完成共同的任務目標,另一方面需要Drag-Free技術消除空間干擾從而為星載的測量設備提供超低干擾的工作環(huán)境。本學位論文以超穩(wěn)定編隊飛行的兩種實現(xiàn)形式為背景,即高精度的構型保持以及超低干擾的星載設備工作環(huán)境,深入研究了編隊飛行構型保持和重構參考軌跡的生成、存在干擾和未知參數(shù)情況下的參考軌跡跟蹤控制以及引入Drag-Fre

2、e技術后編隊控制算法的設計問題,主要內容包括:
　　編隊的星間參考軌跡對燃料消耗和跟蹤誤差有著重要影響,根據(jù)任務約束設計合理的參考軌跡是實現(xiàn)超穩(wěn)定編隊的前提。本文首先給出了基于Hill方程的構型設計和重構問題的解析解。針對Hill方程的局限性,利用星間相對運動模型的無攝動形式提出了編隊最優(yōu)參考軌跡生成方法,該方法將參考軌跡生成問題表示為對應的最優(yōu)控制問題,并利用高斯偽譜法將其轉化為可數(shù)值求解的非線性規(guī)劃問題,該方法可以有效地處理推

3、力器限制、碰撞規(guī)避和燃料均衡等編隊涉及到的約束。仿真結果表明了最優(yōu)參考軌跡生成方法和Hill方程解析解的適用范圍。
　　基于連續(xù)推力的編隊相對控制問題可以歸為對參考軌跡的跟蹤問題,針對最優(yōu)方法給出的參考軌跡,在存在未知空間擾動、未知主星軌道參數(shù)以及軌道機動的情況下,利用H∞方法設計了控制器,結合極點配置,得到了增益合理易于數(shù)字化實現(xiàn)的H∞控制器;針對H∞控制器設計過程中需要反復調整權重函數(shù)且權重函數(shù)的引入提高了控制器階數(shù)等缺陷,利

4、用Lyapunov方法設計了自適應控制器,理論上該控制器能夠保證跟蹤誤差的最終界小于任意指定的正常數(shù);針對自適應控制器結構復雜且可能產(chǎn)生過高增益的缺點,進一步設計了結構清晰且參數(shù)易于調節(jié)的魯棒自適應控制器,并證明此控制器同樣能夠保證任意小的跟蹤誤差最終界。
　　建立了Drag-Free衛(wèi)星的動力學模型并對衛(wèi)星和質量塊受到的干擾進行了分析,針對Drag-Free衛(wèi)星的動力學特點,推導了用于控制器設計的簡化模型,在質量塊與外部衛(wèi)星相對

5、速度可測與不可測兩種情況下,利用Lyapunov方法設計了帶有干擾估計的自適應控制器;研究了Drag-Free技術引入編隊飛行后對編隊控制設計帶來的影響,由于編隊控制與Drag-Free控制同時影響到衛(wèi)星的軌道運動,針對Drag-Free編隊涉及的時域指標和有限頻段內的頻域指標,通過直接分析傳遞函數(shù)和應用廣義KYP引理(Generalized Kalman-Yakubovich-Popv Lemma),設計了靜態(tài)狀態(tài)反饋控制器,仿真結果

6、表明此控制器可以滿足給定的時域及頻域指標。
　　針對編隊飛行關鍵技術的地面演示驗證問題,建立了基于多自由度氣浮臺的編隊飛行地面試驗系統(tǒng),此系統(tǒng)可以用于驗證編隊控制算法、制導算法、視覺導航算法、濾波算法、星間通信協(xié)議以及推力器等編隊所涉及到的技術。針對試驗系統(tǒng)推導了含有干擾和不確定性的動力學方程,通過與空間編隊飛行動力學對比,指出了二者的相似性,從而說明了針對地面試驗的制導以及控制方法的設計原則同樣適用于空間編隊任務;特別針對編隊飛