近地轨道航天器编队飞行控制与应用研究

论文摘要

航天器编队飞行是一种新的航天器空间运行模式,凭借其巨大的技术优势、广阔的应用前景,从诞生之初就倍受青睐,被称为代表未来航天发展趋势的技术。同时,航天器编队飞行技术本身面临着巨大的技术挑战,在动力学、控制与应用方面有很多问题等待研究。基于近地轨道（LEO）的优良特性和广泛应用,本文以近地轨道航天器编队飞行为研究背景,对航天器编队动力学问题、编队捕获与机动问题、构形保持与重构问题以及航天器编队飞行应用于InSAR测量的优化设计与协同控制问题进行了较为系统和深入的研究,并对航天器编队飞行应用于局域轨道封锁的方式与能力进行了探讨。主要研究内容与结论有:1.在航天器编队动力学分析中,推导出了引力摄动作用下稳定构形存在的约束条件,提出J2摄动稳定构形设计方法——基于三轴振动同步的构形设计;根据航天器轨道摄动理论推导出描述J2摄动影响下编队构形长期运动的解析表达式,其可信性得到仿真验证。2.研究了基于冲量作用的编队捕获控制策略。提出两次径向控制冲量与一次轨道面法向控制冲量组合以及三次沿迹向控制冲量与一次轨道面法向控制冲量组合实现编队构形捕获的两种控制策略,并由仿真实例表明该方法简便且有效。3.构建了编队构形保持控制的一般性框架结构,对使用不同发动机推力模型的构形控制效果进行分析。理论推导得出了一阶意义下脉冲推力、连续变推力和继电型推力三种推力模型在构形控制中作用等效的结论,给出了推力模型转换方法。4.研究基于微推力和简单四冲量控制的编队构形重构技术。提出一种新的基于微推力控制作用的航天器编队构形重构方案,给出构形重构的两种底层控制实现方法,推导出所需速度冲量上限的估算表达式,把简单构形重构问题归结为代数方程的求解问题,把复杂构形重构问题表达成一般分配问题,并应用蚁群算法进行求解:提出基于简单四冲量（三次沿迹冲量与一次轨道面法向冲量）的构形重构底层控制方法,给出已知始末构形参数求解控制冲量大小与施加时机的数学表达式,把总燃料消耗表达成构形参数形式,并将其应用于求解复杂编队的构形重构问题。仿真表明这些方法有效且各有优点。5.首次把基于主矢量理论的多冲量最优控制方法应用于航天器编队的轨道机动控制,为降低单次冲量值而应用小推力发动机,提出了多冲量轨道机动路径规划方法。6.以面向全球DEMs测量的主SAR卫星带伴随航天器编队的InSAR系统为研究背景,提出全球一重瞬时寻访有效覆盖的总要求,给出航天器编队轨道与构形需满足的覆盖约束条件和两种覆盖方式,研究了渐近式构形调整的优化问题,构建了满足InSAR编队系统构形与轨道优化设计的数学模型和逻辑结构图,给出模型的简化和求解方法。7.研究主SAR卫星带伴随航天器编队的InSAR系统中编队构形与姿态的协同控制问题。给出协同控制的框架结构图,设置了轨道协同规划器与姿态协同规划器,明确了解决思路,从构形规划、姿态规划、构形与姿态协同控制三方面具体地阐述了协同控制方法并进行仿真计算。8.探讨利用航天器编队实现局域轨道封锁的具体方式,提出“摧毁型”航天器编队和“干扰型”航天器编队的概念;分别研究基于冲量控制和微推力控制方式的航天器编队局域轨道封锁能力,仿真表明携带总质量20%燃料的航天器编队至少可以实现周围200km以上距离的局域轨道封锁。总之,本文以理论分析与仿真计算相结合的方式,对近地轨道航天器编队飞行的动力学、控制与应用进行了有益的研究和探讨,提出了若干解决编队控制与应用问题的方法,对于其它轨道上的航天器编队飞行的相关研究也具有借鉴意义,将为我国分布式航天器技术的理论研究和实际应用提供技术参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 航天器编队飞行发展概况
• 1.1.1 航天器编队飞行技术特征
• 1.1.2 编队飞行的优势与应用模式
• 1.1.3 世界各国编队飞行的主要研究计划
• 1.2 相关技术问题的国内外研究现状
• 1.2.1 编队构形设计与摄动分析
• 1.2.2 编队捕获
• 1.2.3 构形保持
• 1.2.4 构形重构
• 1.2.5 编队轨道机动
• 1.2.6 InSAR系统中航天器编队的设计与控制
• 1.2.7 航天器编队的军事应用
• 1.2.8 综合评述
• 1.3 论文研究思路及内容安排
• 1.3.1 研究对象
• 1.3.2 研究目的与研究思路
• 1.3.3 论文主要内容与组织结构
• 1.3.4 主要创新点
• 第二章 航天器编队构形设计与摄动分析
• 2.1 相对运动与构形设计
• 2.1.1 坐标系和前提条件
• 2.1.2 相对运动学方程的建立
• 2.1.3 相对运动运动学方程的一阶近似
• 2.1.4 用轨道根数表达相对运动方程
• 2.1.5 编队构形的设计方法
• 2.2 编队构形稳定性分析
• 2.2.1 编队构形稳定性仿真分析
• 2.2.2 编队构形破坏机理分析
• 2.3 三轴振动同步的构形设计方法
• 2.3.1 三轴振动同步的条件
• 2.3.2 基于三轴振动同步的编队构形设计步骤
• 2.3.3 实例仿真
• 2摄动作用下编队构形的表达'>2.4 J₂摄动作用下编队构形的表达
• 2.4.1 构形表达式的重新推导
• 2摄动编队构形'>2.4.2 J₂摄动编队构形
• 2.4.3 结论
• 2.5 小结
• 第三章 航天器编队捕获
• 3.1 相对运动与冲量的关系
• 3.1.1 冲量作用与轨道根数的关系
• 3.1.2 轨道根数与相对运动的关系
• 3.1.3 冲量作用与相对运动的关系
• 3.2 单向冲量作用效果分析
• 3.2.1 径向冲量作用
• 3.2.2 沿迹向冲量作用
• 3.2.3 轨道面法向冲量作用
• 3.3 编队捕获策略与仿真
• 3.3.1 编队捕获策略
• 3.3.2 编队捕获仿真
• 3.3.3 燃料估算
• 3.4 小结
• 第四章 航天器编队构形保持
• 4.1 构形保持的反馈控制
• 4.1.1 动力学方程
• 4.1.2 反馈控制律
• 4.2 期望构形规划与参考点的选择
• 4.2.1 期望构形规划的三种方式
• 4.2.2 参考点的选择与编队航天器之间的协同
• 4.3 不同发动机推力模型的构形控制效果分析
• 4.3.1 三种推力模型
• 4.3.2 相对运动状态转移矩阵
• 4.3.3 基于不同推力模型的构形控制效果
• 4.3.4 连续变化小推力模型的工程方法
• 4.3.5 结论
• 4.4 三维盒子在构形控制中的应用
• 4.4.1 三维盒子定义
• 4.4.2 控制盒子与控制精度和控制频度的关系仿真研究
• 4.4.3 编队构形控制系统设计与优化的内涵
• 4.5 小结
• 第五章 航天器编队构形重构
• 5.1 相对运动螺线轨道
• 5.1.1 螺线轨道的开环控制
• 5.1.2 开环控制律改进
• 5.1.3 螺线轨道的简单控制实现方法
• 5.1.4 螺线轨道的跟踪控制实现方法
• 5.2 构形重构的底层控制
• 5.2.1 相对运动轨道调整的开环控制
• 5.2.2 编队构形重构表达
• 5.2.3 燃料消耗估算
• 5.2.4 与其它构形重构控制方法的燃耗比较
• 5.2.5 简单航天器编队构形重构仿真
• 5.2.6 基于继电型推力的构形重构控制实现
• 5.3 构形重构的规划算法
• 5.3.1 构形重构规划模型
• 5.3.2 蚁群算法简介
• 5.3.3 复杂航天器编队构形重构仿真
• 5.3.4 结论
• 5.4 基于简单四冲量控制的构形重构
• 5.4.1 推力模式的能控性分析
• 5.4.2 控制冲量与燃耗
• 5.4.3 基于四冲量的简单构形重构仿真
• 5.4.4 基于四冲量的复杂构形重构仿真
• 5.4.5 结论
• 5.5 小结
• 第六章 航天器编队轨道机动
• 6.1 多冲量轨道机动
• 6.1.1 多冲量最优解的基本理论
• 6.1.2 多冲量次优解的求解
• 6.1.3 多冲量控制优越性的仿真说明
• 6.2 航天器编队多冲量轨道机动的路径规划
• 6.2.1 问题的提出
• 6.2.2 路径规划方法
• 6.2.3 航天器编队整体机动的讨论
• 6.3 小结
• 第七章 InSAR系统中航天器编队优化设计
• 7.1 主星带伴随编队模式InSAR系统概念的提出
• 7.1.1 InSAR测量技术发展概况
• 7.1.2 主星带伴随编队模式InSAR系统简介
• 7.1.3 DEMs测量任务
• 7.2 面向DEMs测量的主星带伴随编队InSAR系统约束分析
• 7.2.1 测高精度约束
• 7.2.2 覆盖约束
• 7.3 主星带伴随编队InSAR系统优化设计
• 7.3.1 优化设计方案
• 7.3.2 优化设计实例——3星对称构形的伴随编队
• 7.3.3 结论
• 7.4 小结
• 第八章 InSAR系统中航天器编队协同控制
• 8.1 问题的提出与解决思路
• 8.1.1 构形与姿态协同问题的提出
• 8.1.2 构形与姿态协同控制实现的逻辑结构
• 8.2 协同规划与控制
• 8.2.1 航天器编队协同规划
• 8.2.2 编队航天器构形与姿态协同控制
• 8.3 构形与姿态协同控制仿真
• 8.3.1 仿真条件设置
• 8.3.2 构形保持控制
• 8.3.3 姿态规划
• 8.3.4 姿态控制
• 8.3.5 结论
• 8.4 小结
• 第九章 航天器编队飞行应用于局域轨道封锁
• 9.1 轨道封锁方式探索
• 9.1.1 “摧毁型”航天器编队
• 9.1.2 “干扰型”航天器编队
• 9.1.3 新作战方式探讨
• 9.2 基于冲量变轨的航天器编队轨道封锁能力分析
• 9.2.1 相对运动与总冲量的关系
• 9.2.2 燃料水平与轨道封锁区域
• 9.2.3 讨论
• 9.3 基于微推力变轨的航天器编队轨道封锁能力分析
• 9.3.1 轨道封锁能力分析
• 9.3.2 讨论
• 9.4 小结
• 第十章 结束语
• 10.1 论文的主要贡献
• 10.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录