本文關(guān)鍵詞：航天器集群邊界建模與控制方法研究

  更多相關(guān)文章： 航天器集群 相對運動 有界性 J_2不變 懸停 內(nèi)編隊 非線性控制 魯棒控制

【摘要】：航天器集群飛行是分布式衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的一個重要方向,是新型空間對地觀測、空間在軌服務(wù)、深空小行星探測等眾多空間應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。本文圍繞這一前沿方向,對航天器集群飛行的動力學(xué)與控制方法開展了研究。研究內(nèi)容以集群飛行的必要性條件為切入點,提煉出集群飛行的有界性這一科學(xué)概念,對有界性條件、有界性的實現(xiàn)方法、有界集群的邊界模型、有界集群的邊界重構(gòu)方法等重要問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究;同時結(jié)合實際空間任務(wù)背景,對具有定值邊界約束的航天器相對懸停與帶有實體邊界約束的內(nèi)編隊飛行兩類特殊集群任務(wù)的帶邊界約束控制問題進(jìn)行了研究,并提出了優(yōu)化的控制方法。全文取得的主要成果如下:一是建立了航天器相對運動和集群運動的邊界模型,為采用集群飛行方式實施具有尺度或基線約束的空間任務(wù)奠定了理論基礎(chǔ)。首先,以航天器周期性相對運動方程為基礎(chǔ),基于極值原理推導(dǎo)得到了一對航天器間相對運動的坐標(biāo)分量上下邊界解析解,分析了一般周期性運動的星間距離極值規(guī)律,并進(jìn)一步得到了繞飛相對運動和面內(nèi)相對運動的星間距離上下邊界解析解。然后,以一對航天器間相對運動邊界為基礎(chǔ),并基于最小包絡(luò)盒和最小包絡(luò)球的概念,建立了航天器集群的邊界模型。二是建立了航天器集群飛行的有界性條件解析解,為理解集群長期在軌自然維持的機(jī)理提供了基本的數(shù)學(xué)模型。首先分析并證明了中心引力主導(dǎo)下有界性和周期性的等價關(guān)系,對基于周期性匹配原理和能量匹配原理構(gòu)建有界性條件的方法做了系統(tǒng)總結(jié)。然后,證明了J_2攝動作用下有界性和J_2不變的等價性,改進(jìn)了平密切軌道根數(shù)和非密切軌道根數(shù)下兩類J_2不變解析解。進(jìn)一步,建立了近極軌道、凍結(jié)軌道和赤道面內(nèi)軌道三種特殊軌道類型下的簡化J_2不變解析解。最后,分析了嚴(yán)格J_2不變相對運動的空間幾何特征,推導(dǎo)得到了空間自相交和投影面自相交的充分必要條件。三是提出了滿足集群飛行有界性條件的初始化控制方法,為實現(xiàn)集群長期低能耗或自然維持奠定了理論基礎(chǔ)。首先,針對地球中心引力作用下一階有界性和高階有界性的問題,提出了單方向、雙方向和三方向的最優(yōu)脈沖速度增量初始化控制方法。然后,針對J_2攝動作用下的有界相對運動初始化問題,建立了最優(yōu)單脈沖速度增量初始化控制方法。最后,針對基于母星平臺彈射分離實現(xiàn)小衛(wèi)星集群構(gòu)建的問題,建立了以釋放速度為變量的相對運動方程,設(shè)計了相應(yīng)的初始化控制方法。四是提出了航天器集群的邊界重構(gòu)方法,為不同集群任務(wù)之間的切換建立了動力學(xué)上的必要條件。首先,建立了邊界重構(gòu)的兩步法方案,其中,第一步實現(xiàn)期望邊界到從星期望軌道根數(shù)的映射,第二步實現(xiàn)從星當(dāng)前軌道根數(shù)到期望軌道根數(shù)的映射。然后,將軌道根數(shù)調(diào)節(jié)問題分解為面內(nèi)控制和面外控制兩個部分,建立了一種面內(nèi)四脈沖控制的最優(yōu)控制模型。進(jìn)一步,針對只有單個方向推力器的常見航天器故障類型,建立了繞飛相對運動和面內(nèi)相對運動的邊界重構(gòu)方法。最后,提出了集群虛擬參考星的概念,建立了集群邊界重構(gòu)的多脈沖最優(yōu)控制方法。五是對相對懸停和內(nèi)編隊飛行兩類特殊應(yīng)用任務(wù)的邊界約束及控制問題進(jìn)行了分析,發(fā)展和改進(jìn)了相關(guān)控制方法。針對相對懸�？刂茊栴},推導(dǎo)得到了考慮J_2攝動的相對懸停控制力通用模型;推導(dǎo)得到了沿徑向相對懸停整周期燃耗解析解,完善了懸停燃耗模型;提出了給定距離下的最優(yōu)控制力懸停方位問題,通過Lagrange乘子法求解得到了最小/最大控制力懸停方位的解析解;提出了給定距離下的最優(yōu)燃耗懸停方位問題,通過Lagrange乘子法得到了最小/最大燃耗懸停方位的解析解。針對內(nèi)編隊飛行控制問題,建立了考慮微小偏心率影響的內(nèi)編隊非線性相對運動動力學(xué)方程,基于時變系統(tǒng)的Lyapunov控制理論,提出了四種內(nèi)編隊非線性實時控制算法;分析了內(nèi)編隊系統(tǒng)由于燃料消耗帶來整體質(zhì)量變化、系統(tǒng)動力學(xué)建模不準(zhǔn)確、環(huán)境干擾力波動等不確定因素對控制帶來的影響,提出了基于μ綜合的內(nèi)編隊魯棒控制算法;針對包含兩顆內(nèi)衛(wèi)星的內(nèi)編隊系統(tǒng),建立了包含自適應(yīng)參數(shù)估計的多體協(xié)同控制算法。論文系統(tǒng)分析了集群飛行的動力學(xué)機(jī)理,提出了相對運動有界性這一科學(xué)概念,拓展了傳統(tǒng)編隊飛行的研究范疇,為采用集群飛行的方式實現(xiàn)多種空間任務(wù)奠定了理論基礎(chǔ);論文所提出的邊界模型、有界性條件、初始化和邊界重構(gòu)等模型和方法為集群飛行的工程應(yīng)用提供了有用的借鑒;論文對航天器相對懸�？刂坪蛢�(nèi)編隊飛行控制方法的改進(jìn)和拓展,為其在軌試驗任務(wù)提供了更為優(yōu)化的解決方案。
【關(guān)鍵詞】：航天器集群 相對運動 有界性 J_2不變 懸停 內(nèi)編隊 非線性控制 魯棒控制
【學(xué)位授予單位】：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V448.2
【目錄】：

• 摘要12-14
• Abstract14-16
• 第一章 緒論16-40
• 1.1 研究背景與意義16-27
• 1.1.1 航天器集群飛行概念16-17
• 1.1.2 航天器集群飛行技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢17-27
• 1.2 相關(guān)研究進(jìn)展綜述27-37
• 1.2.1 航天器集群飛行的有界性條件27-30
• 1.2.2 航天器集群的邊界建模方法30-31
• 1.2.3 航天器集群有界飛行的初始化控制方法31-33
• 1.2.4 航天器集群的邊界重構(gòu)控制方法33-34
• 1.2.5 面向特殊應(yīng)用的有界集群控制方法34-37
• 1.3 論文研究內(nèi)容和組織結(jié)構(gòu)37-40
• 第二章 航天器集群飛行的邊界模型40-79
• 2.1 航天器相對運動的有界性40-47
• 2.1.1 運動物體有界性的一般概念40-41
• 2.1.2 中心力場下物體運動的有界性41-44
• 2.1.3 航天器相對運動的有界性44-47
• 2.2 航天器相對運動的邊界模型47-69
• 2.2.1 有界相對運動的邊界47-48
• 2.2.2 相對運動的坐標(biāo)分量邊界模型48-55
• 2.2.3 相對運動的星間距離邊界模型55-58
• 2.2.4 特殊相對運動的邊界模型58-62
• 2.2.5 給定邊界的初始相對運動條件62-66
• 2.2.6 算例及分析66-69
• 2.3 航天器集群飛行的邊界模型69-77
• 2.3.1 集群飛行的數(shù)學(xué)模型69-72
• 2.3.2 基于最小包絡(luò)盒/球的集群邊界模型72-74
• 2.3.3 算例及分析74-77
• 2.4 小結(jié)77-79
• 第三章 航天器集群飛行的有界性條件79-116
• 3.1 地球中心引力下的有界相對運動條件79-84
• 3.1.1 有界性的軌道根數(shù)差解79-80
• 3.1.2 有界性的一階線性解80-82
• 3.1.3 有界性的高階非線性解82-84
• 3.1.4 算例及分析84
• 3.2 J_2攝動下的有界相對運動條件84-100
• 3.2.1 嚴(yán)格J_2不變相對運動84-86
• 3.2.2 寬松J_2不變相對運動86-88
• 3.2.3 修正的寬松J_2不變相對運動88-94
• 3.2.4 基于非密切軌道根數(shù)的J_2不變相對運動94-97
• 3.2.5 算例及分析97-100
• 3.3 特殊軌道下的J_2不變相對運動100-104
• 3.3.1 近極軌道J_2不變相對運動100-101
• 3.3.2 凍結(jié)軌道J_2不變相對運動101-102
• 3.3.3 赤道面內(nèi)J_2不變相對運動102-103
• 3.3.4 算例及分析103-104
• 3.4 J_2攝動下有界相對運動的幾何特性分析104-114
• 3.4.1 相對運動的自相交概念105
• 3.4.2 嚴(yán)格J_2不變相對運動的自相交特性分析105-112
• 3.4.3 算例及分析112-114
• 3.5 小結(jié)114-116
• 第四章 實現(xiàn)集群飛行有界性的初始化控制方法116-151
• 4.1 地球中心引力下衛(wèi)星有界相對運動的初始化控制方法116-126
• 4.1.1 基于軌道半長軸匹配的初始化控制116
• 4.1.2 實現(xiàn)一階有界性的相對運動初始化控制116-118
• 4.1.3 實現(xiàn)高階有界性的相對運動初始化控制118-122
• 4.1.4 算例及分析122-126
• 4.2 J_2攝動下衛(wèi)星有界相對運動的初始化控制方法126-131
• 4.2.1 實現(xiàn)嚴(yán)格J_2不變相對運動的初始化控制方法126-128
• 4.2.2 實現(xiàn)寬松J_2不變相對運動的初始化控制方法128-130
• 4.2.3 算例及分析130-131
• 4.3 考慮有界性約束的航天器集群初始化控制方法131-149
• 4.3.1 集群初始化問題描述131-132
• 4.3.2 初始化相對運動建模132-135
• 4.3.3 圓參考軌道下的集群初始化控制方法135-141
• 4.3.4 橢圓參考軌道下的集群初始化控制方法141-147
• 4.3.5 算例及分析147-149
• 4.4 小結(jié)149-151
• 第五章 航天器集群邊界重構(gòu)控制方法151-181
• 5.1 相對運動邊界重構(gòu)的一般方法151-162
• 5.1.1 軌道根數(shù)改變的速度增量控制方法151-155
• 5.1.2 一般相對運動的邊界重構(gòu)155-159
• 5.1.3 特殊相對運動的邊界重構(gòu)159-160
• 5.1.4 算例及分析160-162
• 5.2 有限方向推力的相對運動邊界重構(gòu)方法162-169
• 5.2.1 利用單方向速度增量實現(xiàn)繞飛相對運動邊界重構(gòu)163-164
• 5.2.2 利用單方向速度增量實現(xiàn)同軌道面相對運動邊界重構(gòu)164-166
• 5.2.3 算例及分析166-169
• 5.3 相對運動邊界重構(gòu)的多脈沖最優(yōu)控制方法169-179
• 5.3.1 基于偽逆法的相對運動多脈沖控制169-172
• 5.3.2 用于星間距離邊界重構(gòu)的多脈沖最優(yōu)控制172-173
• 5.3.3 用于集群邊界重構(gòu)的多脈沖最優(yōu)控制173-176
• 5.3.4 算例及分析176-179
• 5.4 小結(jié)179-181
• 第六章 具有定值邊界約束的航天器相對懸�？刂品椒�181-203
• 6.1 相對懸停控制及其邊界約束分析181-182
• 6.1.1 相對懸停的含義181-182
• 6.1.2 自然與受控相對懸停182
• 6.2 相對懸�？刂屏Ｅc分析182-193
• 6.2.1 相對懸停控制力模型182-190
• 6.2.2 最小控制力懸停方位190-192
• 6.2.3 算例與分析192-193
• 6.3 相對懸停燃料消耗建模與分析193-201
• 6.3.1 相對懸停燃料消耗模型194-196
• 6.3.2 最小燃耗懸停方位196-200
• 6.3.3 算例與分析200-201
• 6.4 小結(jié)201-203
• 第七章 帶有實體邊界約束的內(nèi)編隊飛行實時控制203-238
• 7.1 內(nèi)編隊飛行及其邊界約束分析203-207
• 7.1.1 內(nèi)編隊飛行概念203-205
• 7.1.2 內(nèi)編隊控制要求及邊界約束分析205-207
• 7.2 包含單顆內(nèi)衛(wèi)星的內(nèi)編隊控制207-229
• 7.2.1 內(nèi)編隊動力學(xué)建模與分析207-210
• 7.2.2 內(nèi)編隊非線性實時控制方法210-219
• 7.2.3 內(nèi)編隊魯棒實時控制方法219-229
• 7.3 包含兩顆內(nèi)衛(wèi)星的內(nèi)編隊控制229-236
• 7.3.1 包含兩顆內(nèi)衛(wèi)星的內(nèi)編隊可控性分析229-230
• 7.3.2 包含兩顆內(nèi)衛(wèi)星的內(nèi)編隊協(xié)同控制方法230-233
• 7.3.3 算例與分析233-236
• 7.4 小結(jié)236-238
• 第八章 總結(jié)與展望238-243
• 8.1 論文主要工作總結(jié)238-242
• 8.2 進(jìn)一步工作的展望242-243
• 致謝243-244
• 參考文獻(xiàn)244-255
• 作者簡歷及在學(xué)期間取得的學(xué)術(shù)成果255-259
• 作者簡歷255-256
• 主要學(xué)術(shù)成果256-258
• 攻讀博士學(xué)位期間參加的科研項目258-259
• 附錄A 航天器相對運動動力學(xué)基礎(chǔ)259-266

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本文編號：1014567