分布式卫星编队构形控制研究

论文摘要

分布式卫星系统因其独特的技术优势和广阔的应用前景而备受关注。协同控制技术是实现分布式卫星应用的关键技术,而编队构形控制则是协同控制研究的重要内容,因此对分布式卫星技术的发展具有重要意义。本文在考虑一定任务背景的前提下,对分布式卫星编队构形控制及其相关技术开展了研究。首先研究了分布式卫星编队构形的构成机理。分别对分布式卫星相对运动的动力学方程和运动学方程进行了推导和简要的分析。在定义编队构形参数的基础上,给出了编队构形确定方程,进而详细分析了编队卫星轨道根数误差对编队构形的影响。其次,以相对运动的运动学方程为基础,对近地轨道编队构形的受摄稳定性进行了分析。以无量纲化德洛勒变量描述的轨道摄动方程为工具,研究了J 2项摄动造成的编队构形参数变化规律,并推导了补偿J 2项摄动下构形沿航迹漂移的长半轴修正方法。以考虑周日效应的大气密度模型为基础,分析了编队卫星轨道能量耗散差异,进而得到了编队构形的沿航迹漂移规律,然后设计了补偿大气摄动的面质比调整方法。再次,研究了分布式SAR卫星的编队构形优化设计问题。设计了满足系统总体要求的分布式SAR卫星参考轨道。以分布式SAR卫星系统性能作为优化指标,以遗传算法作为优化工具进行编队构形优化设计。以典型SAR卫星的技术参数为初始条件,设计了几种编队构形,计算结果表明设计构形能够满足任务提出的高程测量精度和可测速比要求。然后,研究了基于大气阻力的编队构形沿航迹控制问题。在对大气阻力控制基本原理进行详细分析的前提下,提出了相平面控制和模糊控制两种控制方法。分析了构形沿航迹漂移的相轨迹,针对单开关门限控制律不能对初始误差收敛的问题,设计了倾斜开关曲线控制,并分析了相应的极限环参数。提出了沿航迹漂移的模糊控制方法,较好的解决了构形沿航迹漂移不稳定的问题。在对输入输出变量进行模糊化的基础上,设计了模糊控制规则库和控制量解模糊算法,并对控制器进行了稳定性分析。随后,研究了基于脉冲推力的编队构形控制问题。针对系统对星间基线的具体要求,设计了采用气动阻力板和脉冲推力发动机作为执行器的编队构形控制方案。提出了延长控制周期的编队构形参数偏置策略,使构形控制周期达到任务的要求。研究了编队构形侧向冲量控制和轨道面内绕飞椭圆冲量控制方法,实现了构形的长期控制。对控制方法的能耗进行了分析,仿真结果表明在采用文中提出的编队构形控制方案的条件下,每年用于构形控制的推进剂仅为卫星总质量的1.73%左右。最后,研究了基于连续微推力的编队构形精密保持控制问题。基于克拉索夫斯基定理推导了编队构形非线性反馈控制律,然后利用数值仿真方法研究了反馈系数、导航误差和推力误差对控制的影响。基于非线性反馈控制律,研究了重力场测量内编队系统的精密保持控制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.1.1 分布式卫星技术的形成与发展
• 1.1.2 分布式卫星协同控制技术
• 1.1.3 分布式SAR 卫星系统研究进展
• 1.1.4 本文的研究目的
• 1.2 相关研究综述
• 1.2.1 分布式卫星编队构形构成机理与分析
• 1.2.2 分布式卫星编队构形确定与设计
• 1.2.3 分布式卫星编队构形控制
• 1.2.4 基于空间环境力的编队构形控制
• 1.3 论文主要研究内容与组织结构
• 第二章 分布式卫星编队构形构成机理
• 2.1 基本概念和前提
• 2.1.1 基本概念与假设
• 2.1.2 相关坐标系
• 2.2 分布式卫星编队飞行相对运动方程
• 2.2.1 相对运动动力学方程
• 2.2.2 相对运动运动学方程
• 2.3 分布式卫星编队构形确定
• 2.3.1 编队构形参数
• 2.3.2 编队构形确定方程
• 2.3.3 轨道根数误差对编队构形的影响
• 2.3.4 编队构形确定算例
• 2.4 小结
• 第三章 摄动影响下编队构形稳定性分析
• 3.1 近地轨道卫星的受摄运动
• 3.1.1 地球非球形摄动
• 3.1.2 大气阻力摄动
• 3.1.3 三体引力摄动
• 3.1.4 太阳光压摄动
• 3.2 地球非球形摄动影响下编队构形的稳定性
• 3.2.1 德洛勒变量描述的轨道摄动方程
• 2 摄动下编队构形的变化'>3.2.2 J₂摄动下编队构形的变化
• 2 项摄动的编队构形长半轴修正方法'>3.2.3 补偿J₂项摄动的编队构形长半轴修正方法
• 3.3 大气摄动影响下编队构形的稳定性
• 3.3.1 大气密度模型
• 3.3.2 大气摄动下的编队构形沿航迹漂移
• 3.3.3 提高编队构形稳定性的面质比调整方法
• 3.3.4 仿真算例
• 3.4 摄动影响下典型编队构形的稳定性
• 3.4.1 典型构形的稳定性
• 3.4.2 仿真算例
• 3.5 小结
• 第四章 分布式SAR 卫星编队构形优化设计
• 4.1 分布式SAR 卫星参考轨道设计
• 4.1.1 太阳同步回归轨道设计
• 4.1.2 参考轨道设计算例
• 4.2 分布式卫星InSAR 测高编队构形优化设计
• 4.2.1 分布式卫星InSAR 测高原理
• 4.2.2 分布式SAR 卫星编队构形优化设计算法
• 4.2.3 InSAR 测高系统编队构形优化设计算例
• 4.3 分布式SAR 卫星GMTI 编队构形优化设计
• 4.3.1 分布式SAR 卫星GMTI 编队构形优化设计算法
• 4.3.2 GMTI 编队构形优化设计算例
• 4.4 小结
• 第五章 基于大气阻力的编队构形沿航迹控制
• 5.1 基于大气阻力的编队构形沿航迹控制基本原理
• 5.1.1 编队构形沿航迹漂移数学模型
• 5.1.2 控制系统方案
• 5.1.3 控制过程输入量
• 5.2 编队构形沿航迹控制的相平面方法
• 5.2.1 单开关门限时的相轨迹
• 5.2.2 倾斜开关曲线与极限环
• 5.2.3 包含长半轴差的开关曲线
• 5.2.4 仿真算例
• 5.3 编队构形沿航迹模糊控制方法
• 5.3.1 模糊控制技术
• 5.3.2 基于大气阻力的编队构形沿航迹模糊控制
• 5.3.3 仿真算例
• 5.4 小结
• 第六章 基于脉冲推力的编队构形控制
• 6.1 InSAR 测高编队构形控制方案
• 6.1.1 任务背景
• 6.1.2 编队构形联合控制方案
• 6.2 延长控制周期的编队构形参数偏置策略
• 2 项摄动下的基线变化'>6.2.1 J₂项摄动下的基线变化
• 6.2.2 延长控制周期的构形参数偏置策略
• 6.3 编队构形的侧向冲量控制
• 6.3.1 多脉冲条件下的侧向相对运动状态转移矩阵
• 6.3.2 侧向运动的冲量控制
• 6.4 参考轨道面内相对运动的冲量控制
• 6.4.1 大气摄动下的绕飞椭圆短半轴变化
• 6.4.2 绕飞椭圆短半轴冲量控制
• 6.5 InSAR 测高分布式卫星编队构形控制的燃料消耗
• 6.6 小结
• 第七章 基于连续微推力的编队构形精密保持控制
• 7.1 编队构形非线性反馈控制律
• 7.1.1 编队构形保持控制动力学模型
• 7.1.2 非线性反馈控制律
• 7.1.3 仿真算例
• 7.2 编队构形连续保持控制仿真分析
• 7.2.1 反馈系数矩阵对构形连续保持控制的影响
• 7.2.2 导航误差对构形连续保持控制的影响
• 7.2.3 发动机推力模型对构形连续保持控制的影响
• 7.3 重力场测量内编队系统精密轨道保持
• 7.3.1 重力场测量内编队系统工作原理
• 7.3.2 重力场测量内编队系统基本方案
• 7.3.3 重力场测量内编队系统保持控制
• 7.4 小结
• 第八章 总结和展望
• 8.1 论文主要工作总结
• 8.2 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 密切轨道根数与平均轨道根数的互换
• 附录B 相对轨道根数到相对状态的转换矩阵