衛(wèi)星編隊飛行動力學與控制研究.pdf

1、衛(wèi)星編隊飛行是空間技術領域的一個創(chuàng)新，代表了空間系統(tǒng)發(fā)展的一個重要方向。本文選擇衛(wèi)星編隊飛行作為研究對象，研究了編隊衛(wèi)星間的相對運動描述、衛(wèi)星編隊穩(wěn)定的條件及穩(wěn)定相對運動的改進描述、攝動引起的穩(wěn)定編隊模型的修正、編隊隊形的保持以及隊形機動等問題，并且進行了數(shù)值仿真驗證。
　　編隊衛(wèi)星間的相對運動描述研究。首先介紹了相對運動的四種描述方程：Hill方程及其改進方程、T-H方程和軌道根數(shù)描述方程。然后分別對圓參考軌道和橢圓參考軌道兩種

2、情況下的相對運動的特點進行了分析，得到如下結(jié)論：圓參考軌道的穩(wěn)定編隊構(gòu)形是規(guī)則曲線——橢圓，而橢圓參考軌道的穩(wěn)定相對運動軌跡是不規(guī)則的閉合空間曲線。最后通過數(shù)值仿真算例對相對運動的四個描述方程進行了誤差分析，并且按自主性（是否需要輸入）、是否存在長期誤差、適用范圍等進行了總結(jié)。
　　編隊的穩(wěn)定條件及穩(wěn)定相對運動的改進描述研究。采用軌道半長軸的一階展開形式把軌道根數(shù)描述的穩(wěn)定繞飛條件與相對狀態(tài)描述的穩(wěn)定繞飛條件聯(lián)系起來。在此基礎上增

3、加半長軸的展開項數(shù)并保留二階項，建立了相對狀態(tài)描述的二階精度的穩(wěn)定繞飛條件。當滿足二階精度的穩(wěn)定繞飛條件時，原來的相對運動描述方程是發(fā)散的。為了解決該問題，在原來的描述方程上增加一個修正項，建立了描述穩(wěn)定相對運動的改進Hill方程和改進T-H方程。最后分別進行了數(shù)值仿真，仿真結(jié)果表明二階穩(wěn)定繞飛條件是準確的、有效的，改進描述方程可以更準確的描述相應的穩(wěn)定相對運動。
　　軌道攝動對圓參考軌道編隊的影響研究。分析了各種攝動對低軌衛(wèi)星編

4、隊的影響，得出對低軌衛(wèi)星編隊影響最大的攝動源是地球形狀的二階帶諧項。地球中心引力項的二階項及高階項也影響相對位置描述精度。通過比較攝動加速度，發(fā)現(xiàn)編隊距離在0.97km11.48km～范圍內(nèi)，地球中心引力的二階項與J2項所產(chǎn)生的攝動加速度具有可比性。為了減少J2項和二階中心引力項對衛(wèi)星編隊的影響，在原微分方程基礎上增加上面兩種誤差的修正項，建立了針對這兩種攝動的修正方程。最后通過數(shù)值仿真驗證了該修正方程的有效性。
　　衛(wèi)星編隊的隊

5、形保持與控制研究。針對圓參考軌道衛(wèi)星編隊誤差模型為常系數(shù)線性模型，首先把模型簡化為雙積分模型，設計了燃料最優(yōu)控制器，然后考慮模型誤差和攝動影響，在燃料最優(yōu)控制基礎上增加最小加速度控制組成聯(lián)合控制器——改進燃料最優(yōu)控制。為了充分利用J2對編隊隊形的積極作用，而設計了改進LQR控制，通過利用J2攝動力減小控制力，能夠進一步節(jié)省燃料。針對橢圓參考軌道的衛(wèi)星編隊隊形保持是時變模型，采用基于T-S模糊模型的控制方法，既保證了系統(tǒng)的大范圍漸近穩(wěn)定，

6、又具有很好的性能。數(shù)值仿真結(jié)果表明基于T-S模型的控制方法與已有的控制器相比，在相同的控制精度情況下，更節(jié)省燃料。
　　衛(wèi)星編隊的隊形機動研究。針對目前穩(wěn)定隊形的描述多采用六參數(shù)描述存在冗余問題，采用四參數(shù)描述消除冗余。針對衛(wèi)星編隊隊形機動與單星機動的不同，增加考慮編隊成員機動過程中的防止碰撞約束，設計了帶有防碰撞約束的、燃料消耗最少的雙脈沖開環(huán)控制。針對衛(wèi)星編隊成員末狀態(tài)不確定的隊形機動問題，設計了三脈沖控制器：首先通過一次脈沖