航天器相對運(yùn)動姿軌耦合二階滑?？刂蒲芯?pdf

1、空間交會對接是航天領(lǐng)域的重要研究方向之一，以其重要的戰(zhàn)略意義和經(jīng)濟(jì)價值受到廣泛重視。就空間技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r來看，傳統(tǒng)空間應(yīng)用中對合作目標(biāo)的交會對接技術(shù)已日趨成熟，而對非合作目標(biāo)的交會對接和?？考夹g(shù)則處于飛速發(fā)展階段，具有廣闊的應(yīng)用前景，如空間碎片捕獲、在軌服務(wù)以及空間攔截等。不同于對合作目標(biāo)的交會對接，對非合作目標(biāo)的交會對接過程由于目標(biāo)航天器無法主動提供精確的位姿信息，從而給相對位姿的控制技術(shù)帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。此外，在航天器的末端交會過程

2、中，航天器的軌道控制和姿態(tài)控制間存在著嚴(yán)重的耦合作用，傳統(tǒng)軌道控制和姿態(tài)控制“分而治之”的控制策略已無法滿足新形勢下對高精度控制的要求。所以，考慮一體化建模與控制方式的航天器姿軌耦合控制在理論和工程應(yīng)用中均具有重要價值。
　　本文以對非合作目標(biāo)的末端交會過程為研究背景，對航天器姿軌耦合控制的二階滑?？刂扑惴ㄟM(jìn)行了深入的研究。此外，在動態(tài)滑?？刂破髟O(shè)計、任意階滑?？刂?、二階滑模的抗飽和控制以及逼近完全非合作目標(biāo)的二階滑模算法等問題中

3、也取得了一定的研究成果。本文的主要研究內(nèi)容包括：
　　針對傳統(tǒng)建模方法依賴于高精度相對導(dǎo)航濾波的問題，基于視線坐標(biāo)系推導(dǎo)了適用于任意軌道形式且無需復(fù)雜濾波的航天器姿軌耦合動力學(xué)模型，并作為后文控制系統(tǒng)分析和設(shè)計的基礎(chǔ)。
　　針對滑模抖顫及系統(tǒng)不確定性影響高精度姿軌耦合控制的問題，研究了航天器姿軌耦合的二階滑?？刂茊栴}。首先，將動態(tài)滑模與終端滑模相結(jié)合，改進(jìn)了一類非線性系統(tǒng)的一階及任意階動態(tài)滑模控制律設(shè)計方法。其次，通過對追蹤

4、航天器參考軌跡的設(shè)計，將航天器間的相對位置控制和姿態(tài)同步旋轉(zhuǎn)問題轉(zhuǎn)化為對參考軌跡的跟蹤問題。最后，將動態(tài)滑模與終端滑模相結(jié)合，并通過設(shè)計估計復(fù)合干擾導(dǎo)數(shù)上界的自適應(yīng)律，提出了自適應(yīng)二階終端滑?？刂坡刹⒔o出了嚴(yán)格的穩(wěn)定性分析。所設(shè)計的控制律可消除滑模抖顫問題且同時兼顧滑動模態(tài)的不變性，數(shù)值仿真驗(yàn)證了所設(shè)計控制律的有效性。
　　針對逼近非合作目標(biāo)過程中需要高精度和強(qiáng)機(jī)動控制的問題，研究了航天器姿軌耦合的有限時間控制問題。首先將任意階滑

5、?？刂茊栴}轉(zhuǎn)化為含不確定性的n重積分鏈的控制問題，并針對n重積分鏈系統(tǒng)基于齊次理論提出了含線性補(bǔ)償和切換機(jī)制的有限時間控制律，該控制律可使系統(tǒng)狀態(tài)在遠(yuǎn)離和接近平衡點(diǎn)時均有較快的收斂速度。其次，設(shè)計了兩類任意階終端滑模面，即可令任意階系統(tǒng)狀態(tài)在有限時間內(nèi)鎮(zhèn)定的一類終端滑模面及其含線性補(bǔ)償和切換機(jī)制的改進(jìn)形式。在此基礎(chǔ)上，針對任意階滑?？刂?，設(shè)計了任意階終端滑模控制律。最后，為實(shí)現(xiàn)航天器姿軌耦合高精度和強(qiáng)機(jī)動的控制目標(biāo)，基于前述任意階滑模控

6、制方法，提出了航天器姿軌耦合二階滑模有限時間控制律，該控制律消除了滑模抖顫且兼顧滑動模態(tài)的不變性。
　　針對航天器姿軌耦合控制中存在執(zhí)行機(jī)構(gòu)飽和的問題，重點(diǎn)研究了航天器姿軌耦合控制的二階滑模抗飽和控制問題。為建立關(guān)于滑?？癸柡涂刂频挠嘘P(guān)理論，首先提出了飽和型滑模面的概念并給出三類飽和型滑模面的嚴(yán)格定義，進(jìn)一步研究了考慮控制輸入約束的任意階滑?？刂坡傻拇嬖跅l件。其次，重點(diǎn)研究了考慮控制輸入飽和約束的二階滑模控制問題，提出了基于飽和型

7、滑模面的二階滑?？癸柡涂刂坡傻母倪M(jìn)設(shè)計方法及其含冪次項(xiàng)的改進(jìn)形式，并分別給出了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明以及抗飽和控制律的參數(shù)選取規(guī)則，從而有效克服了滑?？刂频妮斎腼柡蛦栴}。最后，在上述研究基礎(chǔ)上，針對考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)飽和的航天器姿軌耦合控制問題，設(shè)計了航天器姿軌耦合二階滑模抗飽和控制律。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計控制律具有良好的抗飽和性能。
　　最后，研究了逼近完全非合作目標(biāo)的二階滑模控制問題以及二階滑模算法的對比分析和性能評價。針對逼近完全非合作目

8、標(biāo)的航天器姿軌耦合控制問題，綜合考慮抖顫消除、收斂速度以及控制輸入飽和約束等因素，設(shè)計了一類航天器姿軌耦合二階滑?？刂坡?。此外，考慮到二階滑模算法進(jìn)一步理論研究及工程應(yīng)用的需要，本文在大量仿真實(shí)驗(yàn)和理論分析的基礎(chǔ)上，對本文提出的四種二階滑模算法與經(jīng)典Super Twisting二階滑模算法進(jìn)行對比分析和性能評價，進(jìn)一步得出有關(guān)結(jié)論。首先，以逼近完全非合作目標(biāo)為應(yīng)用背景，將Super Twisting算法與本文提出的四種二階滑模算法分別應(yīng)