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(duì)技術(shù)進(jìn)行深空探測(cè)是21世紀(jì)空間技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)。而繩系衛(wèi)星系統(tǒng)作為多體航天器編隊(duì)中的一種特殊形式，與自由編隊(duì)飛行相比具有控制精度高，節(jié)約燃料等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于合成孔徑雷達(dá)等空間觀測(cè)任務(wù)，可以進(jìn)一步提高人類深空探測(cè)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(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模分析與控制器設(shè)計(jì)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“深空環(huán)境下繩系衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)建模與控制研

2、究”為研究背景，對(duì)近距離繩系衛(wèi)星系統(tǒng)的系繩平臺(tái)姿態(tài)控制、相對(duì)位置控制及平動(dòng)點(diǎn)附近的姿軌耦合控制問題進(jìn)行了深入研究，論文主要包含以下三個(gè)部分內(nèi)容：
　　針對(duì)深空環(huán)境下多體旋轉(zhuǎn)繩系衛(wèi)星系繩平臺(tái)的姿態(tài)控制問題，以改變平臺(tái)旋轉(zhuǎn)角速度并穩(wěn)定速度變化引起的擺動(dòng)角運(yùn)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)和欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的魯棒最優(yōu)控制器設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了深入分析。給出了多體旋轉(zhuǎn)繩系衛(wèi)星系繩平臺(tái)的姿態(tài)非線性運(yùn)動(dòng)方程，應(yīng)用同步性理論對(duì)其進(jìn)行了

3、簡(jiǎn)化，以此為控制對(duì)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(hào)積分方法相結(jié)合進(jìn)行了魯棒最優(yōu)控制器的設(shè)計(jì)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(dòng)情況，應(yīng)用微分同胚映射理論將系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，進(jìn)一步應(yīng)用魯棒最優(yōu)控制方法設(shè)計(jì)了欠驅(qū)動(dòng)系繩平臺(tái)的姿態(tài)穩(wěn)定控制器。通過對(duì)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(jìn)行仿真與對(duì)比分析，驗(yàn)證了控制器設(shè)計(jì)的有效性。
　　針對(duì)

4、深空環(huán)境下多體庫侖衛(wèi)星系統(tǒng)的相對(duì)位置控制問題，首先對(duì)二體及三體庫侖衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)建模與分析?？紤]到庫侖推進(jìn)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(jìn)行增廣，結(jié)合反步法提出了二體庫侖衛(wèi)星相對(duì)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(shí)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(jì)了控制受限下的二體庫侖衛(wèi)

5、星系統(tǒng)的相對(duì)位置控制器。進(jìn)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(jì)了庫侖衛(wèi)星相對(duì)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(duì)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(duì)深空環(huán)境下長(zhǎng)周期運(yùn)動(dòng)中二體繩系衛(wèi)星姿態(tài)與軌道穩(wěn)定控制問題進(jìn)行了研究。為了進(jìn)行具體分析，假設(shè)系統(tǒng)質(zhì)心位于地-月系共線平動(dòng)點(diǎn)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(dòng)力學(xué)模型，并以此為控制對(duì)象設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)中位置速度信息不易獲得的情況，應(yīng)用SDRE狀態(tài)觀測(cè)器理論對(duì)速度信息進(jìn)行觀測(cè)，并與非線性 SDRE反饋控制方法結(jié)合，設(shè)計(jì)了非線性 SDRE輸出反饋控制器。接下來，考慮到長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)過程中，空間中存在的干擾會(huì)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定造成影響，對(duì)太陽光壓力、軌道偏心率和太陽引力攝動(dòng)等主要干擾進(jìn)行了分析。并針對(duì)考慮干擾影響的二體繩系衛(wèi)星系統(tǒng)魯棒