内编队轨道保持控制方法研究

论文摘要

纯引力轨道航天器在只受重力影响的条件下飞行,其运行轨道可以反映地球重力场变化情况,分析其轨道数据,可以得到高精度、高分辨率的重力场模型。内编队重力场测量卫星系统采用内、外卫星编队飞行,用于重力场测量。内卫星是一个验证质量,飞行在外卫星的内腔中,标称状态下内卫星处于外卫星腔体中心。外卫星屏蔽大气阻力、太阳光压等非保守力,为内卫星提供接近纯引力的运行环境。外卫星精密跟踪内卫星。通过确定内、外卫星的相对位置以及对外卫星实施高精度定轨,可获得内卫星的精密轨道。内编队轨道保持控制系统保证内卫星在外卫星腔体中心,是实现内编队重力场测量卫星系统任务目标的基础和关键。内编队轨道保持控制是一个强干扰控制问题。针对内编队卫星展开内编队轨道保持控制方法研究。首先,介绍了论文的研究背景,对国内外编队构型保持控制技术研究现状、与内编队应用领域类似的Drag-Free控制技术研究现状进行了综述。其次,给出了内编队轨道保持控制系统模型。介绍了控制系统的任务、内编队卫星的参数,建立了内编队卫星动力学模型,分析了内编队卫星的干扰力。在此基础上,研究了内编队传统PID控制,并在传统PID控制器中加入非线性项,构成非线性PID控制器,非线性PID控制器的控制增益随着控制过程发生变化。对内编队传统PID控制器和非线性PID控制器都进行了仿真,仿真结果表明,传统PID控制和非线性PID控制均能保证内、外卫星相对位置在要求的范围内,非线性PID控制比PID控制收敛速度快。分析了轨道平均角速度存在偏差时传统PID和非线性PID控制的性能,二者均能保证系统稳定。研究了传统PID控制和非线性PID控制对相对状态突变的抑制能力,在本文仿真条件下,非线性PID控制使系统收敛,传统PID控制不能保证系统收敛。分析了考虑实际测量误差时传统PID控制和非线性PID控制的控制性能,此时仍能满足相对位置控制要求,相对位置稳态精度降低。然后,研究了内编队模型预测控制,给出了模型预测控制问题的求解方法。对内编队模型预测控制系统进行了仿真,仿真结果表明,模型预测控制方法可用于内编队轨道保持控制,能够保证内编队卫星的稳定飞行。分析了控制器权系数与相对位置稳态偏差的关系。研究了轨道平均角速度存在偏差时模型预测控制的性能,模型预测控制能够保证系统稳定。研究了考虑实际测量误差时模型预测控制的控制性能,此时仍能满足相对位置控制要求,相对位置稳态精度降低,但仍优于PID控制。最后,设计了内编队模型预测PD控制。相对来说,模型预测控制收敛时间长,控制加速度的量级小,PID控制收敛时间短,控制加速度的量级大,将二者结合起来,构成新的控制器。仿真结果表明,加入PD环节之后,收敛时间明显加快,且控制加速度的量级比PID控制小,模型预测PD控制可用于内编队卫星。分析了轨道平均角速度存在偏差时模型预测PD控制的性能,模型预测控制PD能够保证系统稳定。分析了考虑实际测量误差时模型预测控制的控制性能,此时仍能满足相对位置控制要求,相对位置稳态精度降低,与模型预测控制处于同一量级,仍优于PID控制。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 编队构型保持控制技术研究现状
• 1.2.2 Drag-Free 控制技术研究现状
• 1.3 本文研究内容
• 第二章 内编队轨道保持控制系统模型
• 2.1 内编队轨道保持控制系统任务
• 2.2 内编队卫星参数
• 2.3 内编队相对运动动力学模型
• 2.4 内编队干扰力分析
• 2.4.1 大气阻力
• 2.4.2 太阳光压
• 2.5 本章小结
• 第三章 内编队PID 控制研究
• 3.1 PID 控制方法介绍
• 3.1.1 PID 控制基本原理
• 3.1.2 非线性PID 控制
• 3.1.3 PID 控制器参数整定
• 3.2 内编队PID 控制
• 3.2.1 PID 控制的动力学模型
• 3.2.2 大气阻力模型
• 3.2.3 内编队传统PID 控制设计
• 3.2.4 内编队非线性PID 控制设计
• 3.3 内编队PID 控制仿真与分析
• 3.3.1 内编队传统PID 控制仿真
• 3.3.2 内编队非线性PID 控制仿真
• 3.3.3 轨道平均角速度偏差对内编队PID 控制性能的影响
• 3.3.4 相对状态突变抑制能力
• 3.3.5 考虑实际测量误差的内编队PID 控制性能
• 3.4 本章小结
• 第四章 内编队模型预测控制研究
• 4.1 模型预测控制方法介绍
• 4.1.1 模型预测控制原理
• 4.1.2 模型预测控制最优问题
• 4.2 内编队模型预测控制
• 4.2.1 内编队预测模型
• 4.2.2 内编队模型预测控制设计
• 4.3 内编队模型预测控制仿真与分析
• 4.3.1 无控制加速度约束的内编队MPC 仿真
• 4.3.2 控制加速度约束的内编队MPC 仿真
• 4.3.3 相对位置分量y 稳态偏差分析
• 4.3.4 轨道平均角速度偏差对内编队MPC 性能的影响
• 4.3.5 考虑实际测量误差的内编队MPC 性能
• 4.4 本章小结
• 第五章 内编队模型预测PD 控制研究
• 5.1 模型预测PD 控制
• 5.1.1 模型预测PD 控制原理
• 5.1.2 模型预测PD 控制模型
• 5.2 内编队模型预测PD 控制
• 5.2.1 模型预测PD 控制的动力学模型
• 5.2.2 内编队模型预测PD 控制设计
• 5.3 模型预测PD 控制仿真与分析
• 5.3.1 模型预测PD 控制仿真
• 5.3.2 轨道平均角速度偏差对模型预测PD 控制性能的影响
• 5.3.3 考虑实际测量误差的模型预测PD 控制性能
• 5.4 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果