拉格朗日點(diǎn)附近編隊(duì)飛行動(dòng)力學(xué)與控制方法研究.pdf

1、本論文基于深空探測(cè)中的三體動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)拉格朗日點(diǎn)附近的編隊(duì)飛行技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)和深入分析，針對(duì)編隊(duì)方案設(shè)計(jì)時(shí)所面臨的動(dòng)力學(xué)與控制問題，結(jié)合三體力學(xué)模型與拉格朗日點(diǎn)的動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)編隊(duì)方法的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，力求為未來編隊(duì)飛行任務(wù)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)提供一定的理論和技術(shù)支持，也為今后深空探測(cè)技術(shù)的發(fā)展提供一定的借鑒。主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾方面：
　　研究了三體問題的編隊(duì)動(dòng)力學(xué)建模和構(gòu)型設(shè)計(jì)問題。對(duì)拉格朗日點(diǎn)及其動(dòng)力學(xué)機(jī)理進(jìn)行了分析，包括坐標(biāo)系

2、建立及穩(wěn)定性等，給出了存在于拉格朗日點(diǎn)附近的解析周期和擬周期軌道，以及校正的數(shù)值積分軌道；然后，建立帶第四體引力攝動(dòng)的三體非線性編隊(duì)動(dòng)力學(xué)方程，為控制方案設(shè)計(jì)提供前提。同時(shí)，基于日地系共線拉格朗日點(diǎn)的Halo軌道解析式定性分析了主要系統(tǒng)參數(shù)對(duì)構(gòu)型的影響，針對(duì)帶第四體引力攝動(dòng)的非線性編隊(duì)動(dòng)力學(xué)方程，研究了編隊(duì)初始化時(shí)刻與編隊(duì)構(gòu)型有界性的關(guān)系，并與線性化方法做了比較。此外，基于Hamilton等能量曲線與微分修正Halo軌道，設(shè)計(jì)了自然編隊(duì)

3、方案，為編隊(duì)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)和控制參數(shù)的選擇提供了基礎(chǔ)。
　　研究了編隊(duì)飛行的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和共線拉格朗日點(diǎn)附近的周期軌道保持控制問題。從編隊(duì)的控制拓?fù)浣嵌?，分析了編?duì)的集中控制和分散控制結(jié)構(gòu)，并基于多飛行器的線性動(dòng)力學(xué)給出了分散式狀態(tài)反饋控制器的構(gòu)造過程，設(shè)計(jì)了滿足燃耗及編隊(duì)質(zhì)心指標(biāo)的平面構(gòu)型機(jī)動(dòng)，對(duì)分散式控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。進(jìn)而，基于日地系共線拉格朗日點(diǎn)附近無控運(yùn)動(dòng)的周期性，設(shè)計(jì)了保持控制方案，對(duì)傳統(tǒng)靶點(diǎn)法和基于周期軌道單值

4、矩陣的Floquet法進(jìn)行了仿真研究。使得在存在一定初始軌道偏差條件下，通過軌控方案將飛行器保持在一定精度的軌道范圍內(nèi)，為編隊(duì)的相對(duì)軌道控制及分散式控制提供條件。
　　研究了共線拉格朗日點(diǎn)附近編隊(duì)基線的機(jī)動(dòng)與保持控制問題。從線性方案和非線性方案兩個(gè)角度進(jìn)行了研究?；谥黠w行器和編隊(duì)的非線性動(dòng)力學(xué)方程，得到編隊(duì)動(dòng)力學(xué)線性化描述，進(jìn)而設(shè)計(jì)線性控制器，在滿足一定閾值的條件下，實(shí)現(xiàn)編隊(duì)的機(jī)動(dòng)和保持。然后，根據(jù)高精度的控制要求，研究了非線性

5、的編隊(duì)控制方法。基于編隊(duì)的非線性狀態(tài)空間描述和兩種RTBP模型，對(duì)編隊(duì)建模的不確定性問題進(jìn)行分析，并考慮到第四體攝動(dòng)和光壓攝動(dòng)，利用自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)控制器，有效地補(bǔ)償建模誤差和非線性攝動(dòng)對(duì)編隊(duì)保持精度的影響。
　　研究了地月三角拉格朗日點(diǎn)編隊(duì)及基于編隊(duì)的干涉任務(wù)設(shè)計(jì)問題。針對(duì)地月系三角拉格朗日點(diǎn)的特殊性，在構(gòu)建了地月4L點(diǎn)附近編隊(duì)動(dòng)力學(xué)方程的基礎(chǔ)上，進(jìn)行任務(wù)分析、編隊(duì)構(gòu)型設(shè)計(jì)等相關(guān)研究；基于解析相對(duì)運(yùn)動(dòng)分析共面主從編隊(duì)、跟隨編隊(duì)