挠性卫星姿态大角度机动路径的设计与优化

论文摘要

随着人类探索太空的深入,越来越多的空间任务要求挠性卫星能够进行姿态的大角度机动,以满足再定向和空间对接等各种任务要求,且机动过程中需实现快速机动和快速稳定的高性能控制要求,然而,执行机构易饱和常导致角加速度受限,测量器件的测量能力有界常导致角速度受限。本文根据系统对角加速度和角速度的限制,在分析已有机动路径规划形式及挠性卫星姿态控制系统结构特点的基础上,主要做了以下几方面的工作。首先,针对角加速度的突变常导致挠性帆板强烈振动的问题,基于柔化的思想提出了基于抛物线型角加速度曲线的三段式机动路径规划方案；在该路径方案思想基础上,为了进一步提高机动的快速性,提出了基于正弦函数角加速度变化曲线的七段式路径规划方案。通过与已有机动路径方案进行仿真对比研究,验证了本文提出的路径的有效性和优越性。其次,采用多目标优化算法对本文所提的两种路径的参数进行寻优,通过优化算法找到了一组能够明显提高机动快速性和姿态稳定性的优化路径。同时,考虑卫星惯量和挠性帆板与卫星中心刚体耦合系数的不确定性,并针对这两种不确定因素对优化路径进行鲁棒性分析,分析结果表明,本文提出并寻优得到的优化路径具有良好的鲁棒性。最后,为了揭示机动路径与挠性附件振动之间的内在联系,采用频谱分析方法分析了不同路径时星体角加速度的频谱特点。通过研究不同路径在帆板固有振动频率处的频谱分布,得到不易激起帆板振动的机动路径的基本特征,可用于指导优化路径参数的选取。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 研究课题背景及意义
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 卫星姿态控制系统概述
• 1.2.2 机动路径规划研究现状
• 1.2.3 挠性卫星振动抑制方法概述
• 1.3 多目标粒子群优化算法概述
• 1.4 本文主要内容及安排
• 2 挠性卫星动力学模型分析及控制系统总体设计
• 2.1 引言
• 2.2 挠性附件模态离散化方法
• 2.3 挠性卫星动力学模型
• 2.4 挠性卫星姿态控制系统总体设计
• 2.5 挠性卫星仿真模型参数
• 2.6 本章小结
• 3 挠性卫星姿态机动路径规划方案设计
• 3.1 引言
• 3.2 路径规划对挠性卫星姿态控制系统的重要性分析
• 3.3 基于抛物线型角加速度曲线的三段式机动路径规划
• 3.3.1 抛物线型机动路径设计思路
• 3.3.2 抛物线型机动路径规划步骤
• 3.3.3 仿真
• 3.4 基于正弦函数角加速度变化曲线的七段式机动路径规划
• 3.4.1 七段正弦型机动路径设计思路
• 3.4.2 七段正弦型机动路径规划步骤
• 3.4.3 仿真
• 3.5 本章小结
• 4 挠性卫星路径参数的多目标粒子群优化
• 4.1 引言
• 4.2 多目标粒子群算法
• 4.2.1 多目标优化基本概念
• 4.2.2 粒子群算法基本概念
• 4.2.4 模糊多目标粒子群算法FMOPSO
• 4.3 FMOPSO算法在路径参数优化中应用
• 4.3.1 路径参数优化的FMOPSO模型
• 4.3.2 路径参数优化的FMOPSO算法流程
• 4.3.3 仿真参数设置
• 4.3.4 BCB型路径的参数优化
• 4.3.5 S型路径的参数优化
• 4.3.6 抛物线型路径的参数优化
• 4.3.7 七段正弦型路径的参数优化
• 4.3.8 仿真结果分析
• 4.4 不同优化路径的鲁棒性分析
• 4.4.1 BCB型优化路径的鲁棒性分析
• 4.4.2 S型优化路径的鲁棒性分析
• 4.4.3 抛物线型优化路径的鲁棒性分析
• 4.4.4 七段正弦型优化路径的鲁棒性分析
• 4.4.5 不同优化路径鲁棒性比较
• 4.5 本章小结
• 5 机动路径对帆板振动的影响分析
• 5.1 引言
• 5.2 挠性帆板模态频率特性
• 5.3 帆板二阶系统的响应特性
• 5.3.1 帆板二阶系统在谐波信号作用下的响应特性
• 5.3.2 帆板二阶系统在周期信号作用下的稳态响应特性
• 5.3.3 帆板二阶系统在非周期信号作用下的稳态响应特性
• 5.4 不同路径对帆板振动的影响
• d与ω'>5.4.1 不同路径时的星体角加速度ω_d与ω
• d的FFT频谱分析'>5.4.2 不同路径时规划星体角加速度ω_d的FFT频谱分析
• 5.4.3 不同路径时系统实际星体角加速度ω的FFT频谱分析
• 5.4.4 不同路径对帆板模态振动影响对比研究
• 5.5 频谱分析结果对路径规划和参数寻优的指导
• 5.6 本章小结
• 6 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录:攻读硕士学位期间发表的论文和出版著作情况