近地轨道空间飞行器编队飞行控制

论文摘要

针对近地轨道上的一般航天器编队,本论文重点探讨了编队的轨道设计、编队的建立、重构和保持控制问题。主要工作如下:1.基于运动学方法,研究了编队的轨道设计问题。分别导出了圆或近圆轨道上编队以及椭圆轨道上编队的相对运动方程,这些方程采用六个轨道要素表示,可以直接用于构形的轨道设计。利用这些方程,分析并仿真验证了一些典型的相对运动轨迹,设计出多种编队构形。2.在Hill方程的基础上,研究了冲量作用模式下编队建立的燃料最优控制问题。基于编队建立的两个作用冲量的表达式,详细分析得出了单个伴随飞行器由参考点转移到一类椭圆相对轨道、钟摆式相对轨道两冲量建立的最优解析解以及一般椭圆相对轨道三冲量建立的最优解析解。这些解析解的优势在于:只要给出编队建立的目标相对轨道参数,就可以很容易地计算出燃料最优的冲量控制策略。在最优解的基础上导出并分析了两冲量建立时的最优转移轨迹方程,揭示了最优转移轨迹与作用冲量、目标相对轨道之间的关系。在编队规划层面,针对同步控制策略的不足,提出了一种异步控制策略,仿真表明该策略具有燃料消耗最优、计算量更少、安全性更高的优点。3.分别探讨了四种编队构形的重构控制问题,它们是:椭圆编队重构为新的椭圆编队、钟摆式编队重构为新的钟摆式编队、椭圆编队重构为钟摆式编队以及钟摆式编队重构为椭圆编队。在推导出上述四种编队重构的两冲量模型之后,证明了椭圆编队重构时燃料最优控制的一个必要条件。该条件揭示了编队重构与编队建立之间的关系,从而最终得到了椭圆编队和钟摆式编队重构的燃料最优控制解析解。在这些解析解的基础上,分别导出了前面两种编队重构的最优转移轨迹方程,揭示了最优转移轨迹与相对运动轨道及作用冲量之间的关系。对于后面两种编队重构形式,本文也提出了一个多冲量次优控制解,这个解的优点是既满足了燃料消耗较优的条件,又只需根据初始相对轨道和目标相对轨道参数即可很容易计算出相应的控制策略。在编队规划层面也采用异步控制策略,仿真分析进一步证实了它的优点。4.研究了两冲量作用模式和连续力作用模式下编队构形的保持控制问题。在冲量作用模式下,编队构形的保持与重构控制相类似,在编队层面继续采用异步控制策略。结合作者在五级倒立摆中运用的控制方法,重点提出了一种针对连续推力模式下编队保持的模糊控制方法。该模糊控制方法以LQR(Linear Quadratic Regulator)和二元插值函数为基础,与传统的模糊控制方法相比,其优势在于极大地减少了模糊推理的规则数目,从而减少了计算量。仿真研究验证了这种方法的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究的背景及意义
• 1.1.1 论文研究的背景
• 1.1.2 论文研究的意义
• 1.2 编队飞行技术研究现状
• 1.2.1 编队飞行的主要研究计划
• 1.2.2 编队飞行技术研究概述
• 1.3 论文的研究内容及编排
• 1.3.1 研究范围和论文主要内容
• 1.3.2 主要创新点
• 第二章 编队的轨道设计
• 2.1 坐标系与相对运动方程
• 2.1.1 坐标系
• 2.1.2 相对运动方程
• 2.2 圆参考轨道时编队构形设计
• 2.2.1 相对运动方程及误差分析
• 2.2.2 典型的相对运动轨迹
• 2.2.3 编队构形的轨道设计
• 2.3 椭圆参考轨道时编队构形设计
• 2.3.1 相对运动方程及误差分析
• 2.3.2 典型的相对运动轨迹
• 2.3.3 编队构形的轨道设计
• 2.4 小结
• 第三章 编队的建立
• 3.1 编队建立的动力学方程
• 3.1.1 椭圆编队建立的模型
• 3.1.2 钟摆式编队建立的模型
• 3.2 单个伴随空间飞行器椭圆相对轨道的建立
• 3.2.1 一般圆相对轨道
• 3.2.2 投影圆相对轨道
• 3.2.3 轨道平面内椭圆相对轨道
• 3.2.4 一类椭圆相对轨道
• 3.2.5 一类最优的转移轨迹
• 3.2.6 一般椭圆相对轨道
• 3.3 椭圆编队的建立
• 3.3.1 同步建立策略
• 3.3.2 异步建立策略
• 3.3.3 仿真算例
• 3.4 钟摆式编队的建立
• 3.4.1 单个伴随飞行器燃料最优建立的解析解
• 3.4.2 钟摆式编队的燃料最优建立
• 3.5 小结
• 第四章 编队构形重构
• 4.1 编队重构的数学模型
• 4.1.1 相对运动方程的解
• 4.1.2 椭圆编队间重构
• 4.1.3 钟摆式编队间重构
• 4.1.4 椭圆编队与钟摆式编队的互换
• 4.2 编队重构的一些性质
• 4.2.1 椭圆编队膨胀时最优解的一个必要条件
• 4.2.2 椭圆编队不同膨胀比时最优解之间的关系
• 4.2.3 钟摆式编队重构转移轨迹的对称性
• 4.3 单个伴随空间飞行器椭圆相对轨道间的重构
• 4.3.1 椭圆编队膨胀与椭圆编队建立的关系
• 4.3.2 一类椭圆编队的膨胀
• 4.3.3 轨道平面内椭圆编队的膨胀
• 4.3.4 一般椭圆编队间的重构
• 4.4 多个空间飞行器椭圆相对轨道间的重构
• 4.4.1 同步重构策略
• 4.4.2 异步重构策略
• 4.4.3 仿真算例
• 4.5 钟摆式相对轨道间的编队重构
• 4.5.1 单个伴随飞行器重构的最优解析解
• 4.5.2 钟摆式编队的重构
• 4.6 椭圆编队与钟摆式编队的相互转换
• 4.6.1 椭圆编队重构为钟摆式编队
• 4.6.2 钟摆式编队重构为椭圆编队
• 4.7 小结
• 第五章 编队构形的保持
• 5.1 编队构形保持的基本策略
• 2 项的影响'>5.1.1 J₂项的影响
• 5.1.2 误差盒的概念
• 5.2 编队构形保持的二冲量控制
• 5.2.1 二冲量控制模型
• 5.2.2 仿真验证
• 5.2.3 编队的构形保持
• 5.3 编队构形保持的模糊控制
• 5.3.1 模糊控制方法的概述
• 5.3.2 五级倒立摆的控制与仿真
• 5.3.3 编队构形的保持
• 5.3.4 仿真验证
• 5.4 小结
• 结束语
• 1. 考虑多种摄动影响下编队构形的轨道设计问题
• 2. 多种作用力模式下编队的建立和重构控制
• 3. 编队的协同控制问题
• 4. 编队的整体机动问题
• 5. 编队飞行的姿态控制
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A 同轴共面等扁率椭圆的性质