空间相对轨道机动的鲁棒控制

论文摘要

空间环境的复杂性导致航天器在进行相对轨道机动时会受到多种形式的摄动作用。本文对近圆参考轨道和椭圆参考轨道的航天器相对运动系统分别设计了相应的鲁棒控制器。本文介绍了航天器相对运动的数学模型,即TH方程和CW方程。在此基础上,分析了相对运动受到的主要摄动作用并给出了地球扁率J2项对系统产生的相对摄动加速度表达式,同时建立了大气阻力和轨道平均角速度摄动之间的关系。对近圆参考轨道航天器相对运动系统,本文分别从参数摄动,加速度摄动以及二次型指标最优三个方面研究了鲁棒控制器的设计问题。首先,考虑到相对运动系统参数即目标航天器的轨道平均角速度在大气阻力作用下产生摄动,本文基于PD状态反馈模型跟踪控制理论,利用特征结构配置方法,选择闭环系统系数矩阵特征值的条件数为性能指标,通过优化该指标求解出鲁棒控制器。数值仿真验证了该控制器的有效性。然后,对于加速度摄动下的相对运动系统,本文将参数化形式的控制器引入到受摄动系统中,得到了误差传递函数的H2范数表达式,通过极小化该表达式求解出扰动抑制的鲁棒控制器。最后,为了使受摄动系统的二次型性能指标达到最优,本文将受摄动系统的最优控制问题转化成了相应的H2控制问题,进一步利用闭环系统系数矩阵的约当标准型将原指标转化成闭环极点和自由参数向量的表达式,通过优化综合性能指标求解出鲁棒最优控制器。在双星平面投影椭圆轨道绕飞编队任务模式中对闭环系统进行了仿真分析。对于椭圆参考轨道航天器相对运动系统,本文将原LPV模型转化成相应的区间系统。进而通过鲁棒特征结构配置的方法设计了控制器。最后,对闭环相对运动系统进行了数值仿真分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 国内外相关领域的研究现状
• 1.2.1 空间相对轨道机动技术的发展
• 1.2.2 相对轨道机动的研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 航天器相对运动模型与摄动分析
• 2.1 引言
• 2.2 相对轨道机动的数学描述
• 2.2.1 坐标系的建立
• 2.2.2 建立动力学模型
• 2.3 空间相对轨道机动摄动分析
• 2.3.1 引力场的非理想性
• 2.3.2 大气阻力影响
• 2.4 本章小结
• 第3章 近圆参考轨道相对运动的鲁棒控制
• 3.1 引言
• 3.2 轨道平均角速度摄动下的鲁棒控制器设计
• 3.2.1 问题描述
• 3.2.2 鲁棒控制器设计
• 3.2.3 控制器求解与仿真分析
• 3.3 地球扁率摄动下的鲁棒控制器设计
• 3.3.1 问题描述
• 3.3.2 干扰抑制鲁棒控制器设计
• 3.3.3 控制器求解与仿真分析
• 3.4 相对加速度摄动下的鲁棒最优控制器设计
• 3.4.1 问题描述
• 3.4.2 鲁棒最优控制器设计
• 3.4.3 数值仿真分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 椭圆参考轨道相对运动的鲁棒控制
• 4.1 引言
• 4.2 相对运动系统控制器设计
• 4.2.1 问题描述
• 4.2.2 控制器设计
• 4.2.3 数值仿真分析
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢