連續(xù)推力航天器軌道機(jī)動(dòng)控制.pdf

1、航天器軌道機(jī)動(dòng)控制問題一直是航空航天領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。軌道機(jī)動(dòng)的方式主要分為脈沖式和連續(xù)式，連續(xù)式推力發(fā)動(dòng)機(jī)以其比沖大、效率高等特點(diǎn)在越來越多的空間任務(wù)中得到應(yīng)用。航天器軌道機(jī)動(dòng)主要分為兩大類：(1)絕對(duì)軌道機(jī)動(dòng)，指航天器相對(duì)引力中心(地心)的軌道運(yùn)動(dòng)，包括軌道改變或者軌道轉(zhuǎn)移；(2)相對(duì)軌道機(jī)動(dòng)，指追蹤航天器相對(duì)目標(biāo)航天器的運(yùn)動(dòng)，包括軌道攔截、空間交會(huì)、懸停和繞飛等。本論文主要從上述兩個(gè)方面研究連續(xù)推力航天器軌道機(jī)動(dòng)控制問題。主要內(nèi)容分

2、為兩個(gè)部分，一部分是航天器軌道轉(zhuǎn)移的制導(dǎo)與控制問題，本文分別提出了最優(yōu)顯式制導(dǎo)律和非線性最優(yōu)反饋控制律的設(shè)計(jì)方法；另一部分是航天器相對(duì)軌道機(jī)動(dòng)控制問題，本文提煉了一類相對(duì)軌道機(jī)動(dòng)控制問題的一般描述，針對(duì)魯棒穩(wěn)定和漸近跟蹤要求將一般問題轉(zhuǎn)化為具有結(jié)構(gòu)不確定性的二階系統(tǒng)的魯棒反饋鎮(zhèn)定器和前饋跟蹤補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)問題，基于參數(shù)化方法給出了可行的設(shè)計(jì)方案。主要包含以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：
　　首先，本文利用控制參數(shù)化和時(shí)間尺度變換技術(shù)構(gòu)造出一種分

3、段常值的參數(shù)最優(yōu)制導(dǎo)律，很好地解決了連續(xù)推力最優(yōu)軌道轉(zhuǎn)移問題?？刂茀?shù)化和時(shí)間尺度變換技術(shù)的主要思想是利用若干個(gè)分段常值的函數(shù)構(gòu)造控制律，將最優(yōu)控制問題轉(zhuǎn)化為一系列的參數(shù)優(yōu)化問題。考慮到優(yōu)化過程需要利用目標(biāo)泛函和約束條件泛函關(guān)于參數(shù)的梯度信息，本文推導(dǎo)出了目標(biāo)泛函和約束條件泛函關(guān)于參數(shù)的梯度公式；然后利用基于梯度的優(yōu)化算法求出一組逼近解，通過增加分段點(diǎn)個(gè)數(shù)反復(fù)優(yōu)化得到滿意的最優(yōu)解。進(jìn)一步，將連續(xù)推力航天器軌道轉(zhuǎn)移的最優(yōu)制導(dǎo)律設(shè)計(jì)問題通過

4、若干變換構(gòu)造成了具有標(biāo)準(zhǔn)型的最優(yōu)控制問題，基于控制參數(shù)化和時(shí)間尺度變換技術(shù)提出了最優(yōu)顯式制導(dǎo)律的設(shè)計(jì)方法。最后，針對(duì)共面和異面軌道轉(zhuǎn)移的兩種情形進(jìn)行了系統(tǒng)的仿真與分析。
　　其次，考慮到實(shí)際軌道轉(zhuǎn)移過程中存在擾動(dòng)作用，本文針對(duì)一類非線性最優(yōu)控制問題提出了最優(yōu)反饋控制律的實(shí)用設(shè)計(jì)方法。利用Pontryagin極大值原理推導(dǎo)出最優(yōu)反饋控制律的表達(dá)形式，為了計(jì)算該最優(yōu)反饋控制律，需要求解包含一個(gè)n維狀態(tài)方程和一個(gè)n2維類Riccati矩

5、陣微分方程的兩點(diǎn)邊值問題，因此求取其數(shù)值解是相當(dāng)困難的。本文首先利用時(shí)間尺度變換和控制參數(shù)化方法求解最優(yōu)開環(huán)控制律，然后通過最優(yōu)開環(huán)控制律與最優(yōu)閉環(huán)反饋控制律沿最優(yōu)軌跡之間的關(guān)系，提出了一種利用三次B樣條函數(shù)構(gòu)造最優(yōu)反饋增益矩陣元素的實(shí)用計(jì)算方法，從而不用求解涉及原始動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜的類Riccati矩陣微分方程。最后，通過非共面軌道轉(zhuǎn)移過程中初始軌道具有攝動(dòng)情形的仿真驗(yàn)證了該方法是十分有效的。
　　最后，在矩陣二階動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的框架

6、內(nèi)研究了連續(xù)推力航天器相對(duì)軌道機(jī)動(dòng)問題。首先，在二階系統(tǒng)的框架內(nèi)基于相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程給出了一類相對(duì)軌道機(jī)動(dòng)問題的數(shù)學(xué)描述；假設(shè)追蹤航天器只能獲得與目標(biāo)航天器的相對(duì)位置和速度信息，將其它實(shí)時(shí)軌道慣性信息的相關(guān)量作為不確定性，在線性化相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程的基礎(chǔ)上建立了軌道機(jī)動(dòng)的不確定模型，考慮系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定和漸近跟蹤要求，進(jìn)而相對(duì)軌道機(jī)動(dòng)問題轉(zhuǎn)化為具有結(jié)構(gòu)不確定性二階系統(tǒng)的魯棒漸近跟蹤問題。該問題可以分成兩部分，即魯棒反饋鎮(zhèn)定器和前饋跟蹤補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)問