微小衛(wèi)星編隊飛行軌道姿態(tài)協(xié)同控制技術(shù)研究.pdf

1、微小衛(wèi)星編隊飛行是近十年來航天領域的研究熱點,具有廣泛的應用前景。多目標編隊的協(xié)同策略主要有主從式方法、基于行為的方法和虛擬結(jié)構(gòu)方法,本文利用其中的兩種協(xié)同策略分別設計衛(wèi)星的軌道和姿態(tài)的協(xié)同控制律,實現(xiàn)編隊構(gòu)型的保持控制、編隊的整體機動控制以及姿態(tài)的協(xié)同控制。引入對偶四元數(shù)將編隊衛(wèi)星的軌道和姿態(tài)模型統(tǒng)一描述,使軌道和姿態(tài)的協(xié)同控制律能夠統(tǒng)一設計,在航天器動力學建模和控制領域應用中具有更好的優(yōu)勢。本文主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新成果如下:
　

2、　(1)分析了編隊飛行衛(wèi)星間的相對運動理論,建立了相對軌道動力學模型,給出了編隊衛(wèi)星繞飛條件。詳細地闡述了姿態(tài)參數(shù)的描述方法,比較了各自的優(yōu)缺點。建立了基于四元數(shù)法的相對姿態(tài)運動學及動力學模型。
　　(2)利用主從式方法研究編隊協(xié)同控制問題。以兩顆衛(wèi)星編隊為例,提出了一種軌道LQR協(xié)同控制律,分析了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,仿真驗證了在干擾存在的情況下,從星相對主星能夠完成編隊保持。采用一顆主星,兩顆從星的主從式編隊結(jié)構(gòu),提出了一種包含從星姿

3、態(tài)以及從星相對主星的姿態(tài)協(xié)同控制律,在主星達到期望姿態(tài)的過程中,從星跟蹤主星姿態(tài),最終協(xié)同到期望姿態(tài)。分析了控制參數(shù)對姿態(tài)協(xié)同控制律的影響,并指出在干擾較強的情況下,不宜采用此協(xié)同控制律。
　　(3)提出了一種利用虛擬結(jié)構(gòu)方法進行整體協(xié)同控制的方法,把整個編隊視為一個虛擬剛體,進行整體的控制或機動,并在機動過程中,保持編隊構(gòu)型。以三顆衛(wèi)星編隊為例,設計了虛擬結(jié)構(gòu)的動力學和運動學控制器。動力學控制器包含編隊隊形的反饋,實現(xiàn)對編隊速度

4、的控制;針對外部干擾,設計了姿態(tài)變結(jié)構(gòu)控制器。對于虛擬結(jié)構(gòu)動力學控制,分別給出了有編隊隊形反饋和沒有隊形反饋的兩種控制律,并進行了對比仿真驗證,結(jié)果表明,沒有隊形反饋,編隊不能很好地保持原始構(gòu)型,而加入編隊隊形反饋后,誤差顯著減小,收斂速度加快,在機動過程中實現(xiàn)了編隊構(gòu)型保持不變。
　　(4)應用對偶四元數(shù)研究微小衛(wèi)星編隊飛行問題。從幾何的角度證明了對偶四元數(shù)能夠完整得表示剛體運動中的旋轉(zhuǎn)和平移,實現(xiàn)坐標變換。建立了基于對偶四元數(shù)

5、的單顆衛(wèi)星姿態(tài)運動學和姿態(tài)動力學方程,并在此基礎上,以兩顆衛(wèi)星編隊為例,推導了基于對偶四元數(shù)的相對運動學和動力學模型。
　　(5)提出了一種基于對偶四元數(shù)的協(xié)同控制方法,將信息一致性理論應用到編隊飛行控制問題中,設計了應用對偶四元數(shù)的協(xié)同控制律,對四顆衛(wèi)星的位姿同步及位姿跟蹤控制進行了仿真驗證,結(jié)果顯示均能在500秒以內(nèi)實現(xiàn)位姿的同步和跟蹤。
　　(6)設計了一套編隊衛(wèi)星嵌入式仿真平臺,利用四個PC104系統(tǒng)模擬編隊中的衛(wèi)星