本文關(guān)鍵詞：基于凸優(yōu)化理論的航天器群智能碰撞規(guī)避技術(shù)研究

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【摘要】：隨著微機(jī)電、微電子技術(shù)與分布式衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展以及空間在軌目標(biāo)數(shù)量的不斷增長(zhǎng),衛(wèi)星朝著小型化、分布式協(xié)作、自主管理的方向發(fā)展。由微小衛(wèi)星構(gòu)成的航天器群是當(dāng)前航天器編隊(duì)技術(shù)的一個(gè)新的發(fā)展方向,而航天器群因空間任務(wù)需要在進(jìn)行編隊(duì)構(gòu)形重構(gòu)過(guò)程中因外界因素與不確定因素的影響,難免在重構(gòu)過(guò)程中會(huì)發(fā)生星間的碰撞問(wèn)題,因此星間的碰撞規(guī)避問(wèn)題已經(jīng)成為研究編隊(duì)重構(gòu)過(guò)程中一個(gè)重要課題。本文以運(yùn)行在低地球軌道的航天器群為研究對(duì)象,(編隊(duì)成員數(shù)大于等于10),針對(duì)航天器間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型、航天器群編隊(duì)重構(gòu)防碰撞軌跡規(guī)劃和航天器群的模型預(yù)測(cè)控制進(jìn)行了研究,通過(guò)數(shù)值仿真對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。首先,通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于碰撞規(guī)避問(wèn)題相關(guān)文獻(xiàn)的調(diào)研分析,對(duì)航天器群編隊(duì)衛(wèi)星空間碰撞規(guī)避的相關(guān)技術(shù)及其相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行了全面的介紹。給出了編隊(duì)衛(wèi)星空間碰撞規(guī)避技術(shù)的框架結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)和涉及的相關(guān)理論問(wèn)題,對(duì)碰撞規(guī)避主要技術(shù)問(wèn)題的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。其次,定義了空間坐標(biāo)系,基于C-W方程、軌道根數(shù)法與相對(duì)軌道要素法對(duì)航天器群編隊(duì)飛行的相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了描述,并對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程的推導(dǎo)進(jìn)行了描述,分析了動(dòng)力學(xué)模型各自的特點(diǎn)。再次,假設(shè)在地球低軌近圓參考軌道下,根據(jù)高精度的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程結(jié)合凸優(yōu)化理論,以燃料消耗最小為性能指標(biāo)給出了航天器群重構(gòu)防碰撞軌跡規(guī)劃問(wèn)題,通過(guò)對(duì)軌跡規(guī)劃問(wèn)題進(jìn)行凸優(yōu)化處理,進(jìn)而將規(guī)劃問(wèn)題轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問(wèn)題,發(fā)展了離散的SCP算法,然后利用凸優(yōu)化工具箱CVX進(jìn)行求解。利用凸優(yōu)化問(wèn)題求解迅速的特點(diǎn)解決了群重構(gòu)過(guò)程對(duì)于計(jì)算時(shí)間盡量小的特點(diǎn)。最后,由于航天器群成員數(shù)量較大,隨著數(shù)量的增加,SCP算法所得到優(yōu)化軌跡相對(duì)于期望值有較大的誤差,所以利用模型預(yù)測(cè)控制滾動(dòng)時(shí)域優(yōu)化的特點(diǎn),將SCP算法與MPC算法思想相結(jié)合,將優(yōu)化時(shí)域縮小對(duì)問(wèn)題進(jìn)行滾動(dòng)時(shí)域優(yōu)化,并引入終端消耗函數(shù)來(lái)確保優(yōu)化問(wèn)題的收斂與可行。設(shè)計(jì)了MPC控制器給出了SCP-MPC算法,通過(guò)數(shù)值仿真驗(yàn)證了算法能夠在存在干擾項(xiàng)的情況下與期望值間有較小的誤差。
【關(guān)鍵詞】：航天器群 衛(wèi)星編隊(duì) 碰撞規(guī)避 凸優(yōu)化 相對(duì)運(yùn)動(dòng) 模型預(yù)測(cè)控制
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V448
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 注釋表10-11
• 縮略詞11-12
• 第一章 緒論12-23
• 1.1 研究背景和意義12-13
• 1.2 國(guó)內(nèi)外編隊(duì)飛行碰撞規(guī)避技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r13-21
• 1.2.1 衛(wèi)星編隊(duì)?wèi)?yīng)用現(xiàn)狀13-15
• 1.2.2 衛(wèi)星編隊(duì)碰撞規(guī)避技術(shù)研究現(xiàn)狀15-20
• 1.2.3 編隊(duì)衛(wèi)星相對(duì)運(yùn)動(dòng)描述研究現(xiàn)狀20
• 1.2.4 編隊(duì)衛(wèi)星協(xié)同控制研究現(xiàn)狀20-21
• 1.3 本文的主要研究工作21-23
• 第二章 航天器編隊(duì)飛行相對(duì)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型23-32
• 2.1 坐標(biāo)系定義23-24
• 2.2 相對(duì)軌道動(dòng)力學(xué)表述24-31
• 2.2.1 C-W方程24-26
• 2.2.2 T-H方程26
• 2.2.3 基于相對(duì)軌道要素的相對(duì)軌道運(yùn)動(dòng)方程26-31
• 2.3 本章小結(jié)31-32
• 第三章 基于凸優(yōu)化理論的航天器群智能碰撞規(guī)避軌跡規(guī)劃32-44
• 3.1 引言32
• 3.2 凸優(yōu)化簡(jiǎn)介32-34
• 3.2.1 凸集及其實(shí)例33
• 3.2.2 凸優(yōu)化問(wèn)題的定義33-34
• 3.2.3 求解凸優(yōu)化問(wèn)題34
• 3.3 航天器群編隊(duì)重構(gòu)問(wèn)題的描述34-36
• 3.3.1 系統(tǒng)模型34-35
• 3.3.2 目標(biāo)函數(shù)35
• 3.3.3 碰撞規(guī)避數(shù)學(xué)描述35-36
• 3.4 序列凸規(guī)劃（SCP）方法36-37
• 3.4.1 SCP算法描述36-37
• 3.5 問(wèn)題的轉(zhuǎn)化37-39
• 3.6 離散化的SCP算法39-40
• 3.7 仿真結(jié)果與分析40-43
• 3.7 本章小結(jié)43-44
• 第四章 基于SCP模型預(yù)測(cè)控制的航天器群編隊(duì)隊(duì)形重構(gòu)控制44-52
• 4.1 引言44
• 4.2 基于離散時(shí)間的非線性預(yù)測(cè)控制的約束優(yōu)化問(wèn)題數(shù)學(xué)描述44-46
• 4.3 MPC控制器設(shè)計(jì)46-48
• 4.3.1 動(dòng)力學(xué)模型的選擇46
• 4.3.2 控制器46-48
• 4.4 數(shù)值仿真與結(jié)論48-51
• 4.5 本章小結(jié)51-52
• 第五章總結(jié)與展望52-54
• 5.1 本文總結(jié)52
• 5.2 研究展望52-54
• 參考文獻(xiàn)54-57
• 致謝57-58
• 在學(xué)期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文58-59

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