分布式卫星动力学建模与控制研究

论文摘要

分布式卫星技术是空间技术发展的新方向,可能带来航天器应用方式的重大变革。分布式卫星协同控制是分布式卫星系统的关键技术,涉及轨道动力学、自主导航控制、执行器和敏感器、计算和数据处理等多个领域。本文从动力学和控制系统的角度,对分布式卫星系统的协同控制方法开展了研究。首先分析了分布式卫星的动力学机理。以近距离航天器相对运动方程为基础,分析了编队飞行的基本特性,定义了椭圆绕飞编队构型的统一描述参数;通过理论分析和数值仿真,分析了不同编队飞行动力学模型的特点,确立了不同应用场合下动力学模型的选取准则。其次,研究了分布式卫星构型控制问题。分布式卫星的协同控制必须在一定的控制结构下进行,论文首先确定了分布式卫星协同控制的分层协作控制结构。然后,在分层协作控制结构的原则下,提出了基于二次冲量控制的单星环绕编队构型初始化方法和相应的多星环绕编队构型初始化策略,可保证分布式卫星构型初始化在一个轨道周期内完成;提出了基于切换增益衰减因子的变切换增益变结构控制律,实现了高精度的分布式卫星构型保持鲁棒控制,较好地克服了误差收敛时间和控制精度的矛盾;针对缺失轨道径向控制力的情况,设计了变结构构型保持控制律,提出了基于线性离散不确定系统保性能控制的滑动面设计方法,解决了存在不匹配不确定性的线性离散系统变结构控制问题。以二次规划为手段,研究了分布式卫星的构型变换路径规划问题,建立了燃料消耗最优、燃料均匀性最优、燃料量和均匀性综合最优的分布式卫星整体构型变换优化准则,提出了单颗环绕星失效情况下的编队失效重组策略。分布式卫星构型初始化、构型保持和构型变换的研究,构成了完整的分布式卫星协同控制方案。随后,研究了分布式卫星应用系统设计问题。提出了分布式空间目标监视系统概念,对空间目标光学可见性进行了分析,根据任务要求设计了分布式卫星系统的轨道和构型。研究了目标敏感器的探测原理和方法,提出了星图预处理的最佳分割阈值确定准则和星点提取测量的交叉投影算法,在此基础上,通过直接检测法和基于格拉布斯准则的检测法分别实现了移动目标的检测。最后,建立了分布式卫星实时仿真平台和分布式空间目标监视半实物仿真系统。实时仿真平台包含高精度的轨道动力学模型、推进器模型和敏感器模型,可对协同控制任务进行分布式的实时仿真。对分布式卫星协同控制方法和分布式空间目标监视系统任务的系统仿真验证了相关方法的正确性。

论文目录

• 图目录
• 表目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.1.1 分布式卫星系统概念
• 1.1.2 分布式卫星技术发展现状及趋势
• 1.1.3 分布式卫星系统关键技术
• 1.1.4 本文的研究目的
• 1.2 相关研究的综述
• 1.2.1 分布式卫星构成机理及动力学模型
• 1.2.2 分布式卫星构型初始化控制
• 1.2.3 分布式卫星构型保持控制
• 1.2.4 分布式卫星构型变换路径规划
• 1.2.5 分布式卫星典型应用系统设计
• 1.2.6 分布式卫星系统的仿真验证
• 1.3 论文主要研究内容和组织结构
• 第二章 分布式卫星构成机理及动力学模型
• 2.1 编队飞行的相对状态描述
• 2.1.1 坐标系
• 2.1.2 编队卫星的相对运动方程
• 2.1.3 相对运动方程的线性化
• 2.1.4 相对运动方程的解析解
• 2.1.5 编队飞行的条件
• 2.1.6 绕飞构型的描述
• 2.2 编队飞行的轨道根数描述
• 2.2.1 编队环绕星的相对轨道根数描述
• 2.2.2 相对轨道根数和Hill状态的关系
• 2.2.3 编队飞行的约束条件
• 2.2.4 跟飞编队构型
• 2.3 编队的受摄运动和模型适用性分析
• 2.3.1 编队飞行动力学模型的误差
• 2.3.2 线性化相对动力学方程的误差分析
• 2.3.3 编队摄动的轨道根数差分析
• 2.3.4 编队受摄运动的数值分析
• 2.3.5 分布式卫星动力学模型的选取
• 2.4 小结
• 第三章 分布式卫星构型初始化控制
• 3.1 分布式卫星的控制结构
• 3.1.1 分布式卫星控制的特点
• 3.1.2 分布式卫星协同控制结构
• 3.1.3 分布式卫星构型控制的任务
• 3.2 单星环绕编队二次冲量构型初始化
• 3.2.1 动力学模型
• 3.2.2 共轨道面绕飞构型的初始化
• 3.2.3 倾斜绕飞面构型初始化
• 3.2.4 构型初始化仿真算例
• 3.3 构型初始化误差分析
• 3.3.1 构型初始化控制的误差源
• 3.3.2 构型初始化控制的误差分析
• 3.4 多星环绕编队构型初始化
• 3.4.1 多星环绕编队的初始化策略
• 3.4.2 初始化策略的改进
• 3.4.3 仿真算例
• 3.5 小结
• 第四章 分布式卫星构型保持鲁棒控制
• 4.1 构型保持控制的特点
• 4.2 控制模型及分析
• 4.2.1 构型保持控制模型
• 4.2.2 系统稳定性分析
• 4.2.3 系统能控性分析
• 4.2.4 状态方程的离散化
• 4.3 滑动模态变结构控制
• 4.3.1 变结构控制理论简介
• 4.3.2 线性离散系统的变结构控制
• 4.3.3 切换面的设计
• 4.3.4 准滑动模态
• 4.3.5 趋近律设计
• 4.3.6 滑动模态的不变性与鲁棒性
• 4.3.7 抖振的削弱
• 4.4 全向推力的构型保持控制律设计
• 4.4.1 全向推力的构型保持控制系统构成
• 4.4.2 系统的参数摄动和外干扰分析
• 4.4.3 摄动与干扰和系统的匹配条件检验
• 4.4.4 构型保持控制设计
• 4.4.5 控制律的改进
• 4.4.6 构型保持控制实时计算的实现
• 4.4.7 设计实例及仿真
• 4.5 缺失径向推力的构型保持控制律设计
• 4.5.1 缺失径向推力的构型保持控制系统构成
• 4.5.2 摄动和干扰的不匹配问题
• 4.5.3 模型不匹配线性离散系统的变结构控制
• 4.5.4 不匹配干扰的参数等效
• 4.5.5 设计实例和仿真
• 4.6 小结
• 第五章 分布式卫星构型变换的路径规划
• 5.1 单星环绕编队构型变换的路径规划
• 5.1.1 动力学模型
• 5.1.2 构型变换路径规划基本问题
• 5.1.3 附加约束
• 5.1.4 问题的求解
• 5.1.5 仿真研究
• 5.2 分布式卫星整体构型变换的协同策略
• 5.2.1 分布式卫星整体构型变换规划
• 5.2.2 目标构型确定的构型变换
• 5.2.3 目标构型状态优化
• 5.2.4 仿真算例
• 5.3 碰撞避免和构型失效重组
• 5.3.1 分布式卫星的失效重组
• 5.3.2 失效重组策略
• 5.3.3 仿真算例
• 5.4 小结
• 第六章 分布式空间目标监视系统的分析与设计
• 6.1 分布式空间目标监视系统总体设计
• 6.1.1 空间目标监视系统的意义和发展现状
• 6.1.2 系统设计原则和基本原理
• 6.1.3 分布式空间目标监视系统总体方案
• 6.2 空间目标光学特性分析
• 6.2.1 空间目标光照特性
• 6.2.2 视星等的计算
• 6.2.3 目标视亮度的数值分析
• 6.3 空间目标敏感器原理和目标探测方法
• 6.3.1 空间目标敏感器的目标探测原理
• 6.3.2 目标监视图像的预处理
• 6.3.3 基于交叉投影原理的星图星点提取
• 6.3.4 实拍星图的星点测量实验与分析
• 6.3.5 基于序列图像星点数据的移动目标检测
• 6.3.6 移动目标的跟踪测量
• 6.4 分布式空间目标监视系统轨道设计
• 6.4.1 分布式卫星系统轨道高度的选择
• 6.4.2 分布式卫星系统轨道倾角的选择
• 6.4.3 分布式卫星编队构型设计
• 6.5 空间目标监视系统监视能力分析
• 6.6 小结
• 第七章 分布式卫星实时仿真系统
• 7.1 分布式卫星实时仿真系统
• 7.1.1 分布式卫星系统通用仿真平台
• 7.1.2 分布式空间目标监视半实物仿真系统
• 7.2 仿真平台中的主要模型和算法
• 7.2.1 轨道动力学和姿态动力学模型
• 7.2.2 编队状态相对测量误差模型
• 7.2.3 微推力器模型
• 7.2.4 分布式卫星控制算法
• 7.3 空间目标敏感器原型分系统
• 7.3.1 空间目标敏感器原型系统构成
• 7.3.2 主要硬件系统
• 7.4 空间目标模拟器分系统
• 7.4.1 模拟器系统原理和构成
• 7.4.2 模型和算法
• 7.4.3 空间目标模拟器软件实现
• 7.5 小结
• 第八章 分布式卫星协同控制系统仿真
• 8.1 分布式卫星协同控制方法仿真
• 8.1.1 协同控制仿真想定
• 8.1.2 仿真参数设置
• 8.1.3 仿真结果及分析
• 8.2 分布式空间目标监视系统仿真实验
• 8.2.1 仿真想定
• 8.2.2 仿真实验设置
• 8.2.3 仿真实验结果及分析
• 8.3 小结
• 第九章 总结和展望
• 9.1 论文主要工作总结
• 9.2 进一步工作的展望
• 致谢
• 参考文献表
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A 变结构控制系统的简约型
• 附录B 卫星表面材料的反射率/辐射率特性
• 附录C 目标模拟器用SAO子星表数据示例
• 附录D 格拉布斯检验的临界值表