本文關(guān)鍵詞：集群航天器構(gòu)形設(shè)計(jì)及一體化動(dòng)力學(xué)與控制

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【摘要】：集群航天器是通過(guò)無(wú)線連接方式構(gòu)成的虛擬航天器系統(tǒng),具有在軌靈活性、可擴(kuò)展性、可維護(hù)性和快速響應(yīng)能力,研究集群航天器對(duì)于加快快速響應(yīng)空間系統(tǒng)的建設(shè)速度,增強(qiáng)空間技術(shù)創(chuàng)新能力和提高新型航天器研制水平具有重要意義。為滿足集群航天器模塊間能量傳輸、數(shù)據(jù)交互的需要和應(yīng)用需求,本文研究了集群航天器空間圓形編隊(duì)問(wèn)題,進(jìn)而引出集群航天器編隊(duì)構(gòu)形保持問(wèn)題,為避免采用姿態(tài)和軌道分別描述和設(shè)計(jì)控制器造成顧此失彼的被動(dòng)局面,研究了集群航天器姿軌一體化動(dòng)力學(xué)建模問(wèn)題和姿軌一體化控制問(wèn)題。論文的主要內(nèi)容如下：針對(duì)集群航天器空間圓形編隊(duì)問(wèn)題,基于平均軌道要素差建立了無(wú)攝相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型,給出了空間圓形編隊(duì)構(gòu)形設(shè)計(jì)流程。當(dāng)零J2攝動(dòng)條件不再適用時(shí),通過(guò)分析J2攝動(dòng)對(duì)編隊(duì)構(gòu)形的影響,進(jìn)而提出修正公式,仿真結(jié)果表明,該修正公式能有效抑制編隊(duì)構(gòu)形的跡向漂移。由于修正公式只是抑制而非消除主、從航天器相對(duì)位置誤差的發(fā)散趨勢(shì),因此還需對(duì)航天器加以控制。針對(duì)集群航天器姿軌一體化動(dòng)力學(xué)建模問(wèn)題,采用對(duì)偶四元數(shù)框架體系,給出了傳統(tǒng)參數(shù)的對(duì)偶四元數(shù)描述,建立了單航天器姿軌一體化動(dòng)力學(xué)模型,進(jìn)而拓展到可同時(shí)描述航天器間相對(duì)姿態(tài)和相對(duì)軌道運(yùn)動(dòng)的兩航天器相對(duì)姿軌一體化動(dòng)力學(xué)模型。該相對(duì)動(dòng)力學(xué)模型形式簡(jiǎn)潔,避免了傳統(tǒng)姿態(tài)描述方法存在的奇異性和繁瑣的運(yùn)算,可用于集群航天器姿軌一體化控制器設(shè)計(jì)。針對(duì)集群航天器姿軌一體化控制問(wèn)題,將控制問(wèn)題即編隊(duì)構(gòu)形保持問(wèn)題分為兩類(lèi)跟蹤問(wèn)題并分別設(shè)計(jì)姿軌一體化控制器。一是主航天器按預(yù)定軌道運(yùn)行,同時(shí)跟蹤任務(wù)要求的期望姿態(tài)運(yùn)動(dòng),設(shè)計(jì)了反饋線性化-廣義PD控制器和近似函數(shù)-滑�？刂破�,仿真結(jié)果驗(yàn)證了控制算法的有效性。二是從航天器相對(duì)虛擬主航天器的運(yùn)動(dòng)滿足編隊(duì)構(gòu)形設(shè)計(jì)的軌跡,同時(shí)跟蹤任務(wù)要求的期望姿態(tài)運(yùn)動(dòng),設(shè)計(jì)了改進(jìn)的魯棒自適應(yīng)控制器,仿真結(jié)果表明該控制器能有效抑制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出飽和問(wèn)題。
【關(guān)鍵詞】：集群航天器 對(duì)偶四元數(shù) 平均軌道要素 一體化動(dòng)力學(xué)與控制
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：V448.2
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 緒論10-17
• 1.1 課題背景與意義10-12
• 1.1.1 課題來(lái)源與研究背景10-11
• 1.1.2 研究目的與研究意義11-12
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析12-15
• 1.2.1 航天器編隊(duì)構(gòu)形設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀12-13
• 1.2.2 航天器相對(duì)動(dòng)力學(xué)建模方法研究現(xiàn)狀13
• 1.2.3 航天器編隊(duì)控制方法研究現(xiàn)狀13-15
• 1.3 主要研究?jī)?nèi)容15-17
• 2 基礎(chǔ)理論17-30
• 2.1 引言17
• 2.2 軌道理論基礎(chǔ)17-21
• 2.2.1 軌道要素17-18
• 2.2.2 坐標(biāo)系定義18-19
• 2.2.3 坐標(biāo)變換19-20
• 2.2.4 矢量求導(dǎo)20-21
• 2.3 數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)21-27
• 2.3.1 四元數(shù)定義21
• 2.3.2 四元數(shù)運(yùn)算法則21-24
• 2.3.3 對(duì)偶四元數(shù)定義24-25
• 2.3.4 對(duì)偶四元數(shù)運(yùn)算法則25-27
• 2.4 非線性控制理論基礎(chǔ)27-29
• 2.4.1 控制器穩(wěn)定性理論27-28
• 2.4.2 控制方法基本理論28-29
• 2.5 本章小結(jié)29-30
• 3 集群航天器空間圓形編隊(duì)問(wèn)題30-48
• 3.1 引言30
• 3.2 無(wú)攝相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型30-35
• 3.2.1 平均軌道要素30-31
• 3.2.2 相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程31-35
• 3.3 編隊(duì)飛行的構(gòu)形設(shè)計(jì)35-41
• 3.3.1 空間圓形編隊(duì)構(gòu)形設(shè)計(jì)流程35-37
• 3.3.2 J2攝動(dòng)對(duì)構(gòu)形的影響及修正37-40
• 3.3.3 軌道要素的轉(zhuǎn)換和攝動(dòng)方程40-41
• 3.4 數(shù)值仿真與結(jié)果分析41-47
• 3.5 本章小結(jié)47-48
• 4 集群航天器姿軌一體化動(dòng)力學(xué)建模48-58
• 4.1 引言48
• 4.2 傳統(tǒng)參數(shù)的對(duì)偶四元數(shù)描述48-51
• 4.2.1 姿態(tài)和位置48-49
• 4.2.2 角速度和速度49-50
• 4.2.3 質(zhì)量和慣性矩陣50
• 4.2.4 動(dòng)量和角動(dòng)量50-51
• 4.3 集群航天器姿軌一體化動(dòng)力學(xué)模型51-57
• 4.3.1 單航天器姿軌一體化動(dòng)力學(xué)模型51-53
• 4.3.2 兩航天器相對(duì)姿軌一體化動(dòng)力學(xué)模型53-57
• 4.4 本章小結(jié)57-58
• 5 集群航天器姿軌一體化控制器設(shè)計(jì)58-82
• 5.1 引言58
• 5.2 期望軌跡生成策略58-63
• 5.2.1 主航天器期望軌跡生成策略58-60
• 5.2.2 從航天器的期望軌跡生成策略60-63
• 5.3 主航天器姿軌一體化控制器設(shè)計(jì)63-66
• 5.3.1 反饋線性化-廣義PD控制器63-66
• 5.3.2 近似函數(shù)-廣義PD控制器66
• 5.3.3 近似函數(shù)-滑�？刂破�66
• 5.4 從航天器姿軌一體化控制器設(shè)計(jì)66-70
• 5.4.1 魯棒自適應(yīng)控制器67
• 5.4.2 改進(jìn)的魯棒自適應(yīng)控制器設(shè)計(jì)67-70
• 5.5 數(shù)值仿真與結(jié)果分析70-81
• 5.5.1 主航天器仿真算例71-77
• 5.5.2 從航天器仿真算例77-81
• 5.6 本章小結(jié)81-82
• 結(jié)論82-83
• 參考文獻(xiàn)83-90
• 附錄A 單位四元數(shù)與坐標(biāo)變換矩陣的關(guān)系90-92
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況92-93
• 致謝93-94

【參考文獻(xiàn)】

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