深空環(huán)境下近距離繩系衛(wèi)星系統(tǒng)控制方法研究.pdf

1、應(yīng)用多體航天器編隊技術(shù)進行深空探測是21世紀(jì)空間技術(shù)發(fā)展的新趨勢。而繩系衛(wèi)星系統(tǒng)作為多體航天器編隊中的一種特殊形式，與自由編隊飛行相比具有控制精度高，節(jié)約燃料等優(yōu)點，尤其適用于合成孔徑雷達等空間觀測任務(wù)，可以進一步提高人類深空探測的能力。但是由于系統(tǒng)的復(fù)雜性與多樣性，需要根據(jù)具體的繩系衛(wèi)星系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與目標(biāo)，進行動力學(xué)建模分析與控制器設(shè)計來滿足任務(wù)需求。本文在總結(jié)已有成果的基礎(chǔ)上，以國家自然科學(xué)基金項目“深空環(huán)境下繩系衛(wèi)星動力學(xué)建模與控制研

2、究”為研究背景，對近距離繩系衛(wèi)星系統(tǒng)的系繩平臺姿態(tài)控制、相對位置控制及平動點附近的姿軌耦合控制問題進行了深入研究，論文主要包含以下三個部分內(nèi)容：
　　針對深空環(huán)境下多體旋轉(zhuǎn)繩系衛(wèi)星系繩平臺的姿態(tài)控制問題，以改變平臺旋轉(zhuǎn)角速度并穩(wěn)定速度變化引起的擺動角運動為控制目標(biāo)，以最優(yōu)性和魯棒性為前提，研究了全驅(qū)動系統(tǒng)和欠驅(qū)動系統(tǒng)的魯棒最優(yōu)控制器設(shè)計，并進行了深入分析。給出了多體旋轉(zhuǎn)繩系衛(wèi)星系繩平臺的姿態(tài)非線性運動方程，應(yīng)用同步性理論對其進行了

3、簡化，以此為控制對象，首先考慮系統(tǒng)存在的未知干擾與不確定性問題，將最優(yōu)控制理論、自適應(yīng)理論和魯棒誤差符號積分方法相結(jié)合進行了魯棒最優(yōu)控制器的設(shè)計與分析，不僅考慮到最優(yōu)性還能保證系統(tǒng)的魯棒性。以此為基礎(chǔ)，考慮無推力器的欠驅(qū)動情況，應(yīng)用微分同胚映射理論將系統(tǒng)進行轉(zhuǎn)化，進一步應(yīng)用魯棒最優(yōu)控制方法設(shè)計了欠驅(qū)動系繩平臺的姿態(tài)穩(wěn)定控制器。通過對二體旋轉(zhuǎn)繩系衛(wèi)星系統(tǒng)和直連式三體繩系衛(wèi)星系統(tǒng)進行仿真與對比分析，驗證了控制器設(shè)計的有效性。
　　針對

4、深空環(huán)境下多體庫侖衛(wèi)星系統(tǒng)的相對位置控制問題，首先對二體及三體庫侖衛(wèi)星系統(tǒng)進行了動力學(xué)建模與分析?？紤]到庫侖推進器的控制輸入飽和及外界干擾的存在，應(yīng)用光滑函數(shù)近似飽和函數(shù)將系統(tǒng)進行增廣，結(jié)合反步法提出了二體庫侖衛(wèi)星相對位置控制方法，并利用Nussbaum函數(shù)解決增廣系統(tǒng)的控制系數(shù)時變引起的問題。在此基礎(chǔ)上，考慮到庫侖力的控制范圍和衛(wèi)星之間潛在的碰撞帶來的系統(tǒng)狀態(tài)有約束的問題，構(gòu)造了狀態(tài)限制輔助函數(shù)，應(yīng)用反步法設(shè)計了控制受限下的二體庫侖衛(wèi)

5、星系統(tǒng)的相對位置控制器。進一步考慮到無速度信息反饋的情況，結(jié)合濾波器的方法設(shè)計了庫侖衛(wèi)星相對位置輸出反饋控制器。最后，考慮僅采用庫侖力控制的一般三體庫侖衛(wèi)星系統(tǒng)的相對位置控制問題，由于其系統(tǒng)具有非線性、非仿射性和多約束等特殊條件，應(yīng)用一般論文最后一部分針對深空環(huán)境下長周期運動中二體繩系衛(wèi)星姿態(tài)與軌道穩(wěn)定控制問題進行了研究。為了進行具體分析，假設(shè)系統(tǒng)質(zhì)心位于地-月系共線平動點附近。在限制性三體問題下，應(yīng)用歐拉-拉格朗日方法建立了二體繩系衛(wèi)

6、星系統(tǒng)的非線性姿態(tài)軌道耦合動力學(xué)模型，并以此為控制對象設(shè)計了基于二次型最優(yōu)問題的非線性 SDRE控制器?？紤]到在軌道運動中位置速度信息不易獲得的情況，應(yīng)用SDRE狀態(tài)觀測器理論對速度信息進行觀測，并與非線性 SDRE反饋控制方法結(jié)合，設(shè)計了非線性 SDRE輸出反饋控制器。接下來，考慮到長期運動過程中，空間中存在的干擾會對系統(tǒng)穩(wěn)定造成影響，對太陽光壓力、軌道偏心率和太陽引力攝動等主要干擾進行了分析。并針對考慮干擾影響的二體繩系衛(wèi)星系統(tǒng)魯棒