小卫星编队飞行姿态协同控制研究

论文摘要

利用小卫星编队飞行,多颗卫星协同工作,组成一个巨大的“虚拟大卫星”,依靠大的孔径和测量基线,可以在完成单个大型空间飞行器功能的同时,大幅降低成本和风险,最大限度地消除卫星故障对任务的影响。因此卫星编队飞行越来越引起人们的重视,将在电子侦察、立体成像,导航定位、卫星遥感等方面发挥重要作用。本文重点对小卫星编队飞行进行了以下几方面的研究。本论文首先在分析课题的研究目的和意义的基础上,对国内外小卫星编队飞行任务的发展状况进行了综述。并调研了国内外在编队飞行小卫星姿态协同控制技术方面的发展现状。接着分析了几种常见的卫星姿态描述方法,包括它们的定义、换算关系、优缺点以及由它们构成的姿态矩阵。结合本论文需要解决的实际问题,决定采用姿态四元素描述法来进行研究。针对对地定向三轴稳定卫星,定义了研究卫星运动的几种常用坐标系,推导了它们相互之间的转换关系。基于四元素方法建立了刚体卫星姿态动力学方程。然后基于四元素方法,研究了单颗卫星的姿态稳定控制算法,利用Lyapunov稳定性理论证明了所设计的姿态稳定控制器的全局稳定性,并进行了数值仿真,仿真结果进一步验证了所设计的控制器的有效性。此外,定义了姿态四元素误差变量,并在此基础上研究了单颗卫星的姿态跟踪控制算法,利用Lyapunov稳定性理论证明了所设计的姿态跟踪控制器全局稳定性,并进行了数值仿真,仿真结果进一步验证了所设计的控制器的有效性。最后,以三星编队为例,采用主从式的姿态协同控制策略,研究了编队中两颗从星的目标姿态算法。并利用三维可视化验证了算法的正确性。分别通过数值仿真和可视化仿真,对所设计的姿态协同控制器的有效性进行了验证。仿真结果表明编队中的从星可以时刻跟踪目标姿态,也就是能够实现编队卫星姿态协同控制的任务目标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 国内外编队飞行任务发展综述
• 1.2.1 国外小卫星编队飞行研究的现状和计划
• 1.2.2 国内小卫星编队飞行研究的现状和计划
• 1.3 国内外编队飞行姿态控制技术发展状况
• 1.3.1 国外编队飞行姿态控制技术发展状况
• 1.3.2 国内编队飞行姿态控制技术发展状况
• 1.4 本文工作与课题创新
• 第二章 对地定向三轴稳定卫星姿态运动模型
• 2.1 参考坐标系定义及坐标转换
• 2.1.1 参考坐标系
• 2.1.2 地心惯性坐标系与轨道坐标系的坐标转换
• 2.2 姿态描述法
• 2.2.1 方向余弦式
• 2.2.2 欧拉角式
• 2.2.3 欧拉轴/角式
• 2.2.4 欧拉四元素式
• 2.3 基于四元素的姿态运动学方程
• 2.4 刚体卫星姿态动力学方程
• 2.5 小结
• 第三章 单星姿态稳定控制与姿态跟踪控制
• 3.1 Lyapunov 稳定性理论
• 3.1.1 Lyapunov 稳定性定义
• 3.1.2 Lyapunov 稳定性定理
• 3.2 基于四元素的姿态稳定控制器设计与仿真分析
• 3.3 基于四元素的姿态跟踪控制器设计与仿真分析
• 3.4 小结
• 第四章 主从式编队飞行卫星姿态协同控制
• 4.1 问题描述
• 4.2 顶层目标姿态分配
• 4.2.1 串行编队从星目标姿态
• 4.2.2 并行编队从星目标姿态
• 4.2.3 三星编队目标姿态指向及三维可视化
• 4.3 三星编队姿态协同控制设计与仿真分析
• 4.3.1 三星编队姿态协同控制设计
• 4.3.2 三星编队姿态协同控制仿真分析
• 4.4 三维可视化仿真验证
• 4.5 小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表论文