【摘要】：平動點(diǎn)及其附近的周期軌道是航天器編隊(duì)進(jìn)行深空探測的理想場所,而繩系衛(wèi)星系統(tǒng)因其編隊(duì)構(gòu)型保持和重構(gòu)方面的優(yōu)勢,在未來平動點(diǎn)探測任務(wù)中具有較大的應(yīng)用潛力。由于共線平動點(diǎn)及其附近周期軌道的弱穩(wěn)定性,軌道保持控制是平動點(diǎn)航天器應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文在總結(jié)現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上,以國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“深空環(huán)境下繩系衛(wèi)星動力學(xué)建模與控制研究”為背景,對二體繩系衛(wèi)星系統(tǒng)在共線平動點(diǎn)附近的軌道保持控制問題進(jìn)行了深入研究,論文主要內(nèi)容包括:在圓形限制性三體問題假設(shè)下,對繩系衛(wèi)星系統(tǒng)系統(tǒng)動力學(xué)模型的穩(wěn)定性等進(jìn)行了的論述和研究。計算了線性化后二體繩系衛(wèi)星系統(tǒng)在平動點(diǎn)附近的特征值,分析了繩長變化對平動點(diǎn)位置以及穩(wěn)定性的影響。介紹了基于微分校正的周期軌道數(shù)值尋找方法,并給出了一種基于配點(diǎn)法和非線性規(guī)劃的周期軌道數(shù)值計算方法。以數(shù)值計算所得結(jié)果為搜索初值,采用延拓法得到了旋轉(zhuǎn)繩系衛(wèi)星系統(tǒng)的周期軌道族。穩(wěn)定性分析所得結(jié)果為軌道保持控制器設(shè)計提供了相應(yīng)的理論基礎(chǔ),而人工平動點(diǎn)和周期軌道的計算則為軌道保持控制器設(shè)計提供了精確的參考軌道。采用小推力發(fā)動機(jī)提供軌道控制加速度,研究了在不考慮小推力上限的情況下,基于非線性控制理論研究了TSS的軌道保持控制器的設(shè)計問題。首先根據(jù)繩系衛(wèi)星系統(tǒng)動力學(xué)模型為二階級聯(lián)系統(tǒng)的特點(diǎn),利用backstepping方法設(shè)計了軌道保持控制器,并以此為基礎(chǔ),針對速度信息不可知的情況,設(shè)計了兩種無需速度信息的backstepping控制器。此外,考慮軌道保持過程中的能量消耗問題,設(shè)計了非線性SDRE最優(yōu)軌道保持控制器。接下來,考慮到空間中攝動干擾的影響,對backstepping控制器和SDRE控制器進(jìn)行改進(jìn),提高了其對攝動干擾的抑制能力。最后通過數(shù)值仿真驗(yàn)證了所設(shè)計控制器的有效性,并指出非旋轉(zhuǎn)繩系衛(wèi)星系統(tǒng)本身所具有的缺陷�？紤]小推力推進(jìn)器輸出存在推力上限的情況,首先設(shè)計了抗輸入飽和backstepping控制器,并證明了在滿足一定條件的前提下,存在控制輸入飽和時所設(shè)計的控制器仍可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。接下來,利用非線性模型預(yù)測控制在處理有約束控制問題方面的優(yōu)勢,將繩系衛(wèi)星模型動力學(xué)離散化后設(shè)計了相應(yīng)的非線性模型預(yù)測軌道保持控制器。進(jìn)一步考慮當(dāng)初始軌道偏差較大時,傳統(tǒng)的預(yù)測控制器在干擾影響下可能無法滿足狀態(tài)約束的問題,設(shè)計了基于Tube不變集的魯棒非線性預(yù)測控制器。最后通過數(shù)值仿真驗(yàn)證了所設(shè)計控制器在處理攝動干擾及控制輸入飽和問題上的有效性。在地月系統(tǒng)下考慮通過改變繩長實(shí)現(xiàn)軌道保持的控制問題。首先將繩長變化和小推力推進(jìn)器相結(jié)合,分別采用動態(tài)控制分配和非線性預(yù)測控制器直接計算兩種策略設(shè)計了系繩和小推力聯(lián)合控制方法,并給出了可行性分析。接下來,僅以系繩長度作為控制量,根據(jù)旋轉(zhuǎn)繩系衛(wèi)星系統(tǒng)人工平動點(diǎn)穩(wěn)定性分析的結(jié)果,采用動力學(xué)方法設(shè)計了相應(yīng)的平動點(diǎn)保持控制器。在此基礎(chǔ)上,引入Floquet模態(tài)對旋轉(zhuǎn)繩系衛(wèi)星狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)化,設(shè)計了周期軌道保持控制器。最后的仿真結(jié)果表明,當(dāng)初始軌道偏差較小時,在圓形限制性三體動力學(xué)模型下,所設(shè)計的控制器可以使旋轉(zhuǎn)繩系衛(wèi)星長期停留在參考人工平動點(diǎn)或周期軌道附近。針對圓形限制性三體模型和受攝限制性三體模型精確性不足的問題,在J2000地心慣性坐標(biāo)系下建立了可使用星歷表數(shù)據(jù)的旋轉(zhuǎn)繩系衛(wèi)星模型。采用多步打靶法計算了星歷模型下的擬周期軌道,并將其作為參考軌道,對本文設(shè)計的backstepping控制器、SDRE控制器和非線性模型預(yù)測控制器進(jìn)行了軌道保持的數(shù)值仿真。仿真結(jié)果表明,三種控制器均可以完成軌道保持任務(wù),且各自具有一定的優(yōu)勢和缺陷,需要根據(jù)具體任務(wù)要求進(jìn)行選擇。
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【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V448.2
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本文編號：2292140