卫星编队飞行队形控制与重构技术研究

论文摘要

卫星编队飞行是一种崭新的航天器空间在轨运行模式,凭借其巨大的技术优势和广阔的应用前景,从研究之初就备受关注,是一种能够代表未来航天发展趋势的技术。同时,卫星编队飞行对目前的航天技术提出了巨大挑战,在动力学、相对导航、队形控制等方面还有许多问题有待深入研究。本文以近地轨道卫星编队飞行为研究背景,对卫星编队的动力学、相对导航、队形保持、队形重构以及卫星编队飞行应用于空间轨道的封锁等问题进行了较为深入的研究和探讨。主要研究内容包括:编队卫星数学模型的建立和队形设计。分别从动力学和运动学角度出发,建立了两种卫星编队飞行的数学模型,推导了这两种数学模型之间的坐标转换关系,在此基础之上,分析了地球非球形引力、大气阻力和太阳光压等轨道摄动力对编队飞行的影响,然后针对主星在圆或椭圆轨道上运动,进行了队形设计。卫星编队飞行相对导航研究。本文提出了激光测距仪测量、特征光点与CCD相机组合测量、激光测距仪和特征光点组合测量三种不同的卫星编队飞行相对测量方案,利用扩展卡尔曼滤波算法、Unscented卡尔曼滤波算法和粒子滤波算法对星间相对导航问题进行了深入的研究,仿真结果表明无论是估计精度还是收敛速度,Unscented卡尔曼滤波在相对导航应用中都要优于扩展卡尔曼滤波,而粒子滤波对于系统噪声是非高斯白噪声的情况具有较强的适应性。卫星编队飞行的队形保持和控制研究。根据卫星编队飞行的动力学模型,提出了线性二次型调节器控制和势函数控制两种不同的控制方案。线性二次型调节器控制主要是针对主星在近圆轨道上运动,无摄动的情况,而势函数控制理论可以适用于主星在任意椭圆轨道上运动,有摄动的情况,数学仿真验证了这两种不同控制方法的有效性。卫星编队飞行队形重构研究。研究了基于多种约束条件下的编队卫星队形重构技术。根据队形重构的特点,推导了防止星间碰撞、燃料消耗均衡和控制力限幅等约束条件,将编队的队形重构问题归结为代数方程求解问题,提出了基于非线性规划和遗传算法的求解思路,数学仿真验证了方法的可行性。卫星编队飞行轨道封锁研究。文中探讨了轨道封锁机理和本质,研究了主星在椭圆轨道上运动情况下,编队卫星轨道封锁问题,数学仿真显示,利用编队卫星进行空间轨道封锁是可以实现的。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、导航、控制以及应用进行了有益的研究和探讨,提出了若干解决编队控制和应用问题的方法,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参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题研究的目的与意义
• 1.2 各国卫星编队飞行的主要研究计划
• 1.3 卫星编队飞行国内外研究现状
• 1.3.1 编队飞行数学模型研究现状
• 1.3.2 编队飞行轨道摄动力研究现状
• 1.3.3 编队飞行队形设计研究现状
• 1.3.4 编队飞行队形保持和控制研究现状
• 1.3.5 编队飞行星间相对导航研究现状
• 1.3.6 编队飞行队形重构研究现状
• 1.4 论文的研究概述、理论研究框架和主要研究内容安排
• 1.4.1 本文的组织结构
• 1.4.2 本文的主要研究内容
• 第2章 卫星编队飞行模型的建立与队形设计分析
• 2.1 引言
• 2.2 坐标系的定义
• 2.3 卫星编队运动模型的建立
• 2.3.1 动力学模型的建立
• 2.3.2 运动学模型的建立
• 2.4 轨道摄动力分析
• 2.4.1 地球非球形引力摄动
• 2.4.2 太阳光压摄动
• 2.4.3 大气阻力摄动
• 2.5 编队队形设计
• 2.5.1 主星在圆轨道上运动的队形设计
• 2.5.2 主星在椭圆轨道上运动的队形设计
• 2.6 编队飞行仿真算例
• 2.6.1 不同编队模型的误差传播仿真
• 2.6.2 轨道摄动力影响下的误差传播仿真
• 2.6.3 队形设计仿真
• 2.7 本章小结
• 第3章 卫星编队飞行星间相对导航
• 3.1 引言
• 3.2 星间测量模型的建立
• 3.2.1 激光测距仪的测量原理
• 3.2.2 CCD相机和特征光点组合测量原理
• 3.2.3 组合测量原理
• 3.3 扩展卡尔曼滤波在相对导航中的应用
• 3.3.1 扩展卡尔曼滤波原理及算法
• 3.3.2 状态方程的建立
• 3.3.3 测量方程的建立
• 3.4 Unscented卡尔曼滤波在相对导航中的应用
• 3.4.1 Unscented变换
• 3.4.2 Unscented卡尔曼滤波算法
• 3.5 粒子滤波在相对导航中的应用
• 3.5.1 贝叶斯滤波理论
• 3.5.2 蒙特卡罗方法
• 3.5.3 序贯重要采样滤波
• 3.6 相对导航数学仿真与分析
• 3.6.1 基于EKF的相对导航仿真
• 3.6.2 基于UKF的相对导航仿真
• 3.6.3 基于PF的相对导航仿真
• 3.7 本章小结
• 第4章 卫星编队飞行队形保持与控制
• 4.1 引言
• 4.2 基于LQR控制理论队形保持控制
• 4.2.1 LQR控制理论的基本原理
• 4.2.2 基于LQR队形保持控制器的设计
• 4.3 基于势函数理论的队形保持控制
• 4.3.1 势函数理论的基本原理
• 4.3.2 基于势函数理论队形保持控制器的设计
• 4.4 数学仿真与分析
• 4.4.1 基于LQR控制的数学仿真曲线
• 4.4.2 基于势函数控制的数学仿真曲线
• 4.5 本章小结
• 第5章 卫星编队飞行队形重构
• 5.1 引言
• 5.2 重构队形设计
• 5.3 队形重构
• 5.3.1 编队队形重构模型的建立
• 5.3.2 性能指标
• 5.3.3 重构约束条件
• 5.4 非线性规划理论在队形重构中的应用
• 5.5 遗传算法在队形重构中的应用
• 5.6 数学仿真与分析
• 5.6.1 利用SQP方法实现队形重构的仿真曲线
• 5.6.2 利用遗传算法实现队形重构的仿真曲线
• 5.7 本章小结
• 第6章 卫星编队飞行应用于轨道封锁
• 6.1 引言
• 6.2 编队卫星轨道封锁研究
• 6.2.1 卫星轨道封锁机理
• 6.2.2 椭圆轨道下的空间封锁
• 6.3 数学仿真与分析
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历