【摘要】：隨著空間技術(shù)的迅猛發(fā)展,小衛(wèi)星編隊(duì)?wèi){借著技術(shù)先進(jìn)和應(yīng)用前景廣闊的優(yōu)勢(shì),快速發(fā)展成為一種全新的空間飛行器在軌運(yùn)行模式。同樣的,衛(wèi)星編隊(duì)對(duì)當(dāng)前的空間技術(shù)提出了更高的要求,在動(dòng)力學(xué)建模、隊(duì)形重構(gòu)、隊(duì)形保持等方面還有許多丞待解決的難題。本文針對(duì)J_2攝動(dòng)下低地球軌道衛(wèi)星編隊(duì)的動(dòng)力學(xué)建模、編隊(duì)重構(gòu)和隊(duì)形保持等方面進(jìn)行了深入的研究和探討。課題的研究?jī)?nèi)容主要有以下幾個(gè)方面:首先,在參考軌道坐標(biāo)系下,多星編隊(duì)問(wèn)題被分解成單顆參考星和一顆環(huán)繞星的二體運(yùn)動(dòng),從動(dòng)力學(xué)角度對(duì)二體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析,建立了一般情況下較為精確的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)方程;將J_2攝動(dòng)納入外界擾動(dòng)項(xiàng),代入非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行推導(dǎo)以及線(xiàn)性化,得到較為精確的線(xiàn)性化的相對(duì)動(dòng)力學(xué)模型,為后續(xù)衛(wèi)星編隊(duì)隊(duì)形重構(gòu)和隊(duì)形保持方面的研究打下理論和模型基礎(chǔ)。依據(jù)對(duì)衛(wèi)星編隊(duì)二體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)分析,設(shè)計(jì)了衛(wèi)星編隊(duì)的空間隊(duì)形。分析衛(wèi)星編隊(duì)在空間圓參考軌道上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)特性,介紹了幾種常見(jiàn)的編隊(duì)飛行方式,對(duì)每種編隊(duì)飛行構(gòu)型的特點(diǎn)以及構(gòu)型條件進(jìn)行了詳細(xì)的分析,并繪制了對(duì)應(yīng)的編隊(duì)飛行圖形,為后續(xù)編隊(duì)重構(gòu)和編隊(duì)保持提供了隊(duì)形基礎(chǔ)。其次,在前文中建立的J_2攝動(dòng)下線(xiàn)性化的衛(wèi)星編隊(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程的基礎(chǔ)下,對(duì)衛(wèi)星編隊(duì)隊(duì)形重構(gòu)問(wèn)題進(jìn)行描述。通過(guò)利用極小值理論,引入哈密頓函數(shù)和協(xié)態(tài)變量,將燃料最優(yōu)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為兩點(diǎn)邊值問(wèn)題。利用多重打靶法對(duì)兩點(diǎn)邊值問(wèn)題進(jìn)行求解,為獲得較為準(zhǔn)確的初值,結(jié)合改進(jìn)的鴿群進(jìn)化算法獲得協(xié)態(tài)變量初值。利用多重打靶法結(jié)合改進(jìn)鴿群進(jìn)化算法,對(duì)J_2攝動(dòng)下的衛(wèi)星編隊(duì)隊(duì)形重構(gòu)問(wèn)題轉(zhuǎn)化成的兩點(diǎn)邊值問(wèn)題。同時(shí),將粒子群算法應(yīng)用于編隊(duì)重構(gòu)中,并與聯(lián)合算法得到的控制策略進(jìn)行了比較,驗(yàn)證了聯(lián)合算法的有效性和優(yōu)越性。之后,對(duì)重構(gòu)后的衛(wèi)星編隊(duì)進(jìn)行隊(duì)形保持,基于LQR理論和滑�？刂评碚撛O(shè)計(jì)了兩種控制器對(duì)隊(duì)形進(jìn)行控制保持。不同之處在于LQR控制器只能將編隊(duì)中的衛(wèi)星保持在空間構(gòu)型中的固定相對(duì)位置,即靜態(tài)保持;而滑�？刂破鞑粌H僅能靜態(tài)保持,還能使衛(wèi)星在構(gòu)型中保持在變化的理想位置,即動(dòng)態(tài)保持。通過(guò)數(shù)值仿真對(duì)兩種編隊(duì)隊(duì)形控制策略進(jìn)行了比較驗(yàn)證,分析了兩種控制方法的優(yōu)缺點(diǎn)以及各自適用情況。最后,基于VC++設(shè)計(jì)搭建了仿真系統(tǒng)軟件進(jìn)行場(chǎng)景仿真。分別設(shè)計(jì)場(chǎng)景對(duì)衛(wèi)星的編隊(duì)重構(gòu)和保持進(jìn)行仿真,對(duì)本文設(shè)計(jì)的聯(lián)合算法和滑�？刂圃趧�(dòng)態(tài)隊(duì)形保持方面的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：V448.2
【圖文】：

也經(jīng)歷了線(xiàn)性化的處理，并且不考慮空間中存在的種種攝動(dòng)力的影定誤差。雖然 T-H 方程也能通過(guò)限定特定的條件求出解析解，但是求出的解析解，其解析形式仍然比較復(fù)雜，難以將其運(yùn)行到衛(wèi)星軌學(xué)法對(duì)衛(wèi)星編隊(duì)進(jìn)行研究雖然取得了很大的進(jìn)展，但是這些進(jìn)展是學(xué)微分方程的解析解的前提下取得的，當(dāng)面臨參考星位于橢圓軌道響的衛(wèi)星編隊(duì)情況時(shí)，其動(dòng)力學(xué)方程較為復(fù)雜，求解其解析解較為難題丞待解決。本文為獲得更高的精度，擬采用相對(duì)精確的非線(xiàn)性動(dòng)線(xiàn)性化，盡可能保證相對(duì)運(yùn)動(dòng)的精度。編隊(duì)隊(duì)形重構(gòu)研究現(xiàn)狀顆小衛(wèi)星編隊(duì)飛行的過(guò)程中，編隊(duì)的空間構(gòu)型需要隨著空間任務(wù)的，需要由當(dāng)前構(gòu)型向新的目標(biāo)構(gòu)型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即需要隊(duì)形重構(gòu)。由燃料有限，為節(jié)省能量，延長(zhǎng)衛(wèi)星的使用壽命，需要對(duì)衛(wèi)星的隊(duì)形劃，其目的就是找尋既滿(mǎn)足約束條件又節(jié)省能量的最優(yōu)軌跡，現(xiàn)有跡規(guī)劃方法的研究。

楊博、田苗等研究了小推力作用下高精度的衛(wèi)星編隊(duì)構(gòu)型保外部擾動(dòng)的考慮項(xiàng)，推導(dǎo)控制力與衛(wèi)星編隊(duì)的距離和空間方位高精度的衛(wèi)星編隊(duì)隊(duì)形保持策略。隊(duì)隊(duì)形保持研究現(xiàn)狀編隊(duì)空間運(yùn)行的過(guò)程中，不受外力的理想狀況下，環(huán)繞星相對(duì)定不變的，但是由于空間中軌道攝動(dòng)力的影響，衛(wèi)星會(huì)偏移原來(lái)隊(duì)隊(duì)形形狀也會(huì)發(fā)生畸化。為消除外部攝動(dòng)力造成的誤差，必星施加軌道控制，以保證衛(wèi)星編隊(duì)的隊(duì)形保持穩(wěn)定。早期的衛(wèi)在線(xiàn)性化的相對(duì)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程的基礎(chǔ)上開(kāi)展的。

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本文編號(hào)：2737903