【摘要】：隨著空間技術(shù)的迅猛發(fā)展,小衛(wèi)星編隊?wèi){借著技術(shù)先進和應(yīng)用前景廣闊的優(yōu)勢,快速發(fā)展成為一種全新的空間飛行器在軌運行模式。同樣的,衛(wèi)星編隊對當(dāng)前的空間技術(shù)提出了更高的要求,在動力學(xué)建模、隊形重構(gòu)、隊形保持等方面還有許多丞待解決的難題。本文針對J_2攝動下低地球軌道衛(wèi)星編隊的動力學(xué)建模、編隊重構(gòu)和隊形保持等方面進行了深入的研究和探討。課題的研究內(nèi)容主要有以下幾個方面:首先,在參考軌道坐標系下,多星編隊問題被分解成單顆參考星和一顆環(huán)繞星的二體運動,從動力學(xué)角度對二體運動進行分析,建立了一般情況下較為精確的非線性動力學(xué)方程;將J_2攝動納入外界擾動項,代入非線性動力學(xué)方程進行推導(dǎo)以及線性化,得到較為精確的線性化的相對動力學(xué)模型,為后續(xù)衛(wèi)星編隊隊形重構(gòu)和隊形保持方面的研究打下理論和模型基礎(chǔ)。依據(jù)對衛(wèi)星編隊二體運動的動力學(xué)分析,設(shè)計了衛(wèi)星編隊的空間隊形。分析衛(wèi)星編隊在空間圓參考軌道上的相對運動特性,介紹了幾種常見的編隊飛行方式,對每種編隊飛行構(gòu)型的特點以及構(gòu)型條件進行了詳細的分析,并繪制了對應(yīng)的編隊飛行圖形,為后續(xù)編隊重構(gòu)和編隊保持提供了隊形基礎(chǔ)。其次,在前文中建立的J_2攝動下線性化的衛(wèi)星編隊相對運動動力學(xué)方程的基礎(chǔ)下,對衛(wèi)星編隊隊形重構(gòu)問題進行描述。通過利用極小值理論,引入哈密頓函數(shù)和協(xié)態(tài)變量,將燃料最優(yōu)問題轉(zhuǎn)化為兩點邊值問題。利用多重打靶法對兩點邊值問題進行求解,為獲得較為準確的初值,結(jié)合改進的鴿群進化算法獲得協(xié)態(tài)變量初值。利用多重打靶法結(jié)合改進鴿群進化算法,對J_2攝動下的衛(wèi)星編隊隊形重構(gòu)問題轉(zhuǎn)化成的兩點邊值問題。同時,將粒子群算法應(yīng)用于編隊重構(gòu)中,并與聯(lián)合算法得到的控制策略進行了比較,驗證了聯(lián)合算法的有效性和優(yōu)越性。之后,對重構(gòu)后的衛(wèi)星編隊進行隊形保持,基于LQR理論和滑�？刂评碚撛O(shè)計了兩種控制器對隊形進行控制保持。不同之處在于LQR控制器只能將編隊中的衛(wèi)星保持在空間構(gòu)型中的固定相對位置,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,即動態(tài)保持。通過數(shù)值仿真對兩種編隊隊形控制策略進行了比較驗證,分析了兩種控制方法的優(yōu)缺點以及各自適用情況。最后,基于VC++設(shè)計搭建了仿真系統(tǒng)軟件進行場景仿真。分別設(shè)計場景對衛(wèi)星的編隊重構(gòu)和保持進行仿真,對本文設(shè)計的聯(lián)合算法和滑模控制在動態(tài)隊形保持方面的有效性進行驗證。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：V448.2
【圖文】：

也經(jīng)歷了線性化的處理，并且不考慮空間中存在的種種攝動力的影定誤差。雖然 T-H 方程也能通過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，難以將其運行到衛(wèi)星軌學(xué)法對衛(wèi)星編隊進行研究雖然取得了很大的進展，但是這些進展是學(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)星編隊情況時，其動力學(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，擬采用相對精確的非線性動線性化，盡可能保證相對運動的精度。編隊隊形重構(gòu)研究現(xiàn)狀顆小衛(wèi)星編隊飛行的過程中，編隊的空間構(gòu)型需要隨著空間任務(wù)的，需要由當(dāng)前構(gòu)型向新的目標構(gòu)型進行轉(zhuǎn)換，即需要隊形重構(gòu)。由燃料有限，為節(jié)省能量，延長衛(wèi)星的使用壽命，需要對衛(wèi)星的隊形劃，其目的就是找尋既滿足約束條件又節(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)星編隊構(gòu)型保外部擾動的考慮項，推導(dǎo)控制力與衛(wèi)星編隊的距離和空間方位高精度的衛(wèi)星編隊隊形保持策略。隊隊形保持研究現(xiàn)狀編隊空間運行的過程中，不受外力的理想狀況下，環(huán)繞星相對定不變的，但是由于空間中軌道攝動力的影響，衛(wèi)星會偏移原來隊隊形形狀也會發(fā)生畸化。為消除外部攝動力造成的誤差，必星施加軌道控制，以保證衛(wèi)星編隊的隊形保持穩(wěn)定。早期的衛(wèi)在線性化的相對運動動力學(xué)方程的基礎(chǔ)上開展的。

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