本文關(guān)鍵詞：衛(wèi)星電磁編隊(duì)飛行動(dòng)力學(xué)與控制

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【摘要】：衛(wèi)星編隊(duì)飛行系統(tǒng)由以特定幾何構(gòu)型在軌飛行的多顆小衛(wèi)星組成,成員間能夠進(jìn)行信息共享和相互協(xié)同,從而完成復(fù)雜的空間任務(wù)。傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊(duì)飛行系統(tǒng)的隊(duì)形保持及改變主要依賴于推進(jìn)劑,對于長時(shí)間編隊(duì)任務(wù),這將帶來大量燃料消耗。衛(wèi)星電磁編隊(duì)系統(tǒng)中每顆衛(wèi)星配備三個(gè)互相正交的高溫超導(dǎo)線圈,通過控制各線圈內(nèi)的電流強(qiáng)度產(chǎn)生可變電磁力和力矩,并結(jié)合飛輪或控制力矩陀螺實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星間相對距離和姿態(tài)的控制。由于線圈和姿態(tài)控制器均由電流驅(qū)動(dòng),而產(chǎn)生電流的能量可以從太陽能帆板獲取,故衛(wèi)星電磁編隊(duì)飛行中相對軌道和姿態(tài)的維持或改變不需要消耗任何燃料,理論上移除了推進(jìn)劑對在軌壽命的限制。本文針對衛(wèi)星電磁編隊(duì)飛行系統(tǒng)中存在的各種問題展開深入研究,包含如下幾個(gè)部分:首先,被廣泛使用的電磁力遠(yuǎn)距模型近距離處誤差較大,形式復(fù)雜,不宜于直接應(yīng)用于控制器設(shè)計(jì)。本文通過在場-源相對位置近似時(shí)保留高階項(xiàng),推導(dǎo)出一種精度更高的修正遠(yuǎn)距模型,然后采用磁偶極矩定向配置簡化模型復(fù)雜度,從而去除磁偶極矩解算過程,使其可以與衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)融為一體用于控制器設(shè)計(jì)。針對磁偶極矩定向配置,本文以數(shù)值仿真和理論分析相結(jié)合的方式,從模型精度、電磁力輸出效率和電磁力矩配比三個(gè)方面說明了其應(yīng)用的合理性。其次,高溫超導(dǎo)線圈中通過的最大電流有限,且隨著線圈相對距離增大,電磁力會(huì)急劇減小,故在控制器設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮輸入飽和。此外,編隊(duì)飛行系統(tǒng)通常對隊(duì)形快速重構(gòu)有要求,故實(shí)現(xiàn)輸入飽和約束下的軌跡快速跟蹤具有重要意義。本文基于滑�？刂瓶蚣�,分別提出基于飽和度近似的滑�？刂坪突谧赃m應(yīng)切換到達(dá)律的滑�？刂苾煞N方法來解決上述問題。第一種方法通過對飽和度的估計(jì)構(gòu)造自適應(yīng)律,利用有限時(shí)間到達(dá)思想實(shí)現(xiàn)到達(dá)律的設(shè)計(jì)。第二種方法以給定飽和限值后控制力的最大效率利用和抖動(dòng)減免為設(shè)計(jì)理念,使用連續(xù)型控制分量,并引入調(diào)節(jié)函數(shù)對到達(dá)律進(jìn)行自適應(yīng)切換實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。兩種方法中都在理論分析中考慮了有界外擾和輸入飽和,具有較強(qiáng)的魯棒性。第三,衛(wèi)星電磁編隊(duì)飛行系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型耦合十分嚴(yán)重,每顆衛(wèi)星電流的改變都會(huì)對系統(tǒng)整體磁場產(chǎn)生影響,進(jìn)而波及其余所有衛(wèi)星,故多星電磁編隊(duì)控制較為復(fù)雜。本文研究基于頻分法思想的解耦控制,以自適應(yīng)學(xué)習(xí)型滑�？刂茷槔�,分析了頻分法在電磁編隊(duì)飛行系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)解耦中帶來的控制問題,并通過兩種方式解決該問題。在第一種方式中,通過引入輸入速率飽和確保頻分法的有效性,提出了一種基于LMI的優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)隊(duì)形重構(gòu)。在第二種方式中,則通過引入反饋濾波器確保頻分法的有效性,并以滑�？刂茷槔M(jìn)行了分析討論。第二種方式相對第一種方式更加簡單、靈活,適用于時(shí)變軌跡跟蹤。第四,衛(wèi)星電磁編隊(duì)系統(tǒng)中電磁力的使用會(huì)同時(shí)帶來電磁力矩,而電磁力矩可能會(huì)造成角動(dòng)量的持續(xù)積累,致使衛(wèi)星姿態(tài)控制器失效。本文利用一組磁偶極矩系數(shù)和力矩比系數(shù)參數(shù)化磁偶極矩解,以解析的方式分析在電磁力受限和自由兩種情況下電磁力矩配比的范圍以及電磁力矩的最小化。進(jìn)一步,結(jié)合衛(wèi)星相對軌道動(dòng)力學(xué)給出了無力矩隊(duì)形,并以滑模控制為例探討了隊(duì)形重構(gòu)過程對角動(dòng)量積累的影響。最后,針對角動(dòng)量持續(xù)積累的問題,本文提出一種利用地磁場實(shí)現(xiàn)角動(dòng)量卸載的方法。該方法特點(diǎn)是通過交-直電磁場混合使用來解開角動(dòng)量卸載及編隊(duì)控制間的耦合。在任意時(shí)間段內(nèi)只有一顆候選衛(wèi)星被激活執(zhí)行角動(dòng)量卸載,該衛(wèi)星產(chǎn)生的磁偶極矩含有交變分量和定常分量兩種,其中定常分量與地磁場相互作用完成角動(dòng)量卸載,而交變分量用于隊(duì)形跟蹤或保持。候選星的選取則綜合考慮角動(dòng)量累積量和當(dāng)前地磁場的卸載效率計(jì)算得到。所提方案可以最大程度利用地磁場進(jìn)行角動(dòng)量卸載,同時(shí)移除一系列現(xiàn)有方法中由磁偶極矩耦合帶來的不利因素。
【關(guān)鍵詞】：衛(wèi)星電磁編隊(duì) 滑�？刂� 輸入飽和 解耦控制 角動(dòng)量管理
【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】：2016
【分類號】：V448.2
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第1章 緒論12-25
• 1.1 課題背景及研究意義12-13
• 1.2 衛(wèi)星電磁編隊(duì)飛行的研究概況13-20
• 1.2.1 衛(wèi)星電磁編隊(duì)飛行可行性分析及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)13-17
• 1.2.2 衛(wèi)星電磁編隊(duì)飛行動(dòng)力學(xué)及控制17-20
• 1.3 本文的主要研究內(nèi)容20-25
• 1.3.1 問題及解決方案20-22
• 1.3.2 各章節(jié)內(nèi)容22-25
• 第2章 電磁力模型及編隊(duì)飛行動(dòng)力學(xué)25-46
• 2.1 引言25
• 2.2 電磁力模型及分析25-39
• 2.2.1 電磁力和力矩25-27
• 2.2.2 模型化簡27-32
• 2.2.3 簡化模型數(shù)值仿真32-39
• 2.3 衛(wèi)星電磁編隊(duì)動(dòng)力學(xué)模型39-45
• 2.3.1 坐標(biāo)系定義39-40
• 2.3.2 動(dòng)力學(xué)模型40-45
• 2.4 本章小結(jié)45-46
• 第3章 考慮輸入飽和的雙星編隊(duì)控制46-74
• 3.1 引言46-47
• 3.2 基于飽和度近似的滑模控制47-61
• 3.2.1 控制方法選取及基本思想47-50
• 3.2.2 控制器及其穩(wěn)定性分析50-55
• 3.2.3 數(shù)值仿真55-61
• 3.3 基于自適應(yīng)切換到達(dá)律的滑�？刂�61-73
• 3.3.1 控制思想61-62
• 3.3.2 控制器及其穩(wěn)定性分析62-69
• 3.3.3 數(shù)值仿真69-73
• 3.4 本章小結(jié)73-74
• 第4章 應(yīng)用頻分法的多星編隊(duì)解耦控制74-91
• 4.1 引言74
• 4.2 多星編隊(duì)解耦策略74-81
• 4.2.1 頻分法解耦策略75-78
• 4.2.2 頻分法引入的控制問題78-81
• 4.3 基于LMI的頻分法多星編隊(duì)解耦控制81-90
• 4.3.1 控制器及其穩(wěn)定性分析81-87
• 4.3.2 數(shù)值仿真87-90
• 4.4 本章小結(jié)90-91
• 第5章 雙星編隊(duì)電磁力矩及角動(dòng)量分析91-107
• 5.1 引言91
• 5.2 雙星編隊(duì)電磁力矩配置91-99
• 5.2.1 電磁力矩分配自由度92-98
• 5.2.2 無電磁力矩隊(duì)形配置98-99
• 5.3 基于滑�？刂频慕莿�(dòng)量最小化99-106
• 5.3.1 參數(shù)優(yōu)化模型100-102
• 5.3.2 數(shù)值仿真102-106
• 5.4 本章小結(jié)106-107
• 第6章 多星編隊(duì)控制及角動(dòng)量管理107-129
• 6.1 引言107
• 6.2 角動(dòng)量管理107-116
• 6.2.1 地磁場對電磁編隊(duì)系統(tǒng)的作用107-110
• 6.2.2 角動(dòng)量管理方法110-116
• 6.3 基于反饋濾波的頻分法六自由度控制116-128
• 6.3.1 反饋濾波方法116-121
• 6.3.2 數(shù)值仿真121-128
• 6.4 本章小結(jié)128-129
• 結(jié)論129-130
• 參考文獻(xiàn)130-141
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果141-144
• 致謝144-146
• 個(gè)人簡歷146

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本文編號：866750