卫星编队飞行相对姿态动力学与控制

论文摘要

本文主要对编队飞行中涉及到相对姿态的动力学与控制问题作了探索和研究,旨在为卫星编队飞行的设计和应用提供有益的理论基础。本文首先在编队构形的研究基础上,给出了伴随卫星绕飞(伴飞)轨道设计的一些参考准则。这些参考准则仅适用于主星近圆轨道、不考虑摄动影响等因素的理想编队,没有涉及主星大偏心率椭圆轨道和非理想情况。对于伴随卫星跟踪观测目标卫星,如果任务中没有其它条件的限制,伴随卫星的期望姿态是不确定的。因此需要增加一些约束条件来完成期望姿态的规划设计。本文采取了根据轨道信息确定期望姿态和根据相对位置信息确定期望姿态两种方式,并分别增加了角速度约束和四元数约束。还在太阳帆板法线方向尽量对准太阳的限制下,研究姿态控制问题。这可以扩展到编队中一颗卫星同时和两颗卫星通讯的应用。采用基于四元数反馈的控制律,可以实现编队中相对姿态的长时间、大角度的姿态跟踪机动。对该控制律,利用Lyapunov稳定性定理证明了闭环系统的渐近稳定性。对于编队飞行相对姿态一致保持的情况,四元数反馈控制律依然可用。如果目标卫星、追踪卫星的姿态角、姿态角速度相差足够小时,可以近似的认为姿态相对运动学方程为互相解耦的关系式。可在此前提下进行控制律设计,例如利用线性二次型的设计方法。追踪卫星观测失效的目标卫星特定面,追踪卫星必须同时进行相对轨道和相对姿态的跟踪控制。本文给出了编队飞行中相对位置和相对姿态的动力学方程,研究了一种可能的相对位置和相对姿态的跟踪控制方法。控制律中进一步考虑目标卫星转动惯量的不确定性,通过算法逼近了转动惯量比值的真实值。本文给出一种三角形编队队形保持的策略。通过相对轨道和姿态的联合控制,保证了卫星之间距离保持不变。由于三角形结构的特点,从而维持了三角形编队队形。但此方式不保证编队队形整体方位的不改变。最后初步讨论了平面情况下太阳帆航天器的姿态被动稳定。设计不对称的太阳帆结构,仿真验证了此结构可以用于螺线轨道的太阳帆姿态被动稳定。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 编队飞行应用综述
• 1.2.1 编队飞行的应用领域
• 1.2.2 编队飞行的应用现状
• 1.3 编队飞行的研究内容及现状
• 1.3.1 编队飞行相对轨道研究
• 1.3.2 编队飞行相对姿态研究
• 1.4 太阳帆及螺线轨道简介
• 1.5 论文主要研究内容及创新点
• 第2章 动力学基础与编队伴随飞行轨道设计
• 2.1 坐标系定义
• 2.2 坐标转换矩阵
• 2.3 卫星轨道的描述方法
• 2.4 卫星姿态的描述方法
• 2.4.1 方向余弦式
• 2.4.2 欧拉角式
• 2.4.3 欧拉四元数式
• 2.5 卫星姿态运动学和动力学基本方程
• 2.5.1 欧拉运动学方程
• 2.5.2 用四元数表示的运动学方程
• 2.5.3 姿态动力学方程
• 2.6 编队伴随卫星轨道设计
• 2.6.1 用主、从星轨道根数描述的相对运动方程
• 2.6.2 相对轨道分析
• 2.6.3 轨道设计仿真算例
• 2.7 本章小结
• 第3章 编队伴随卫星相对姿态跟踪控制
• 3.1 期望姿态特点分析
• 3.2 根据轨道信息确定期望姿态
• 3.3 根据相对位置确定期望姿态
• 3.4 考虑太阳帆板指向的期望姿态
• 3.5 控制律设计及稳定性证明
• 3.6 仿真算例
• 3.7 本章小结
• 第4章 卫星编队飞行相对姿态一致保持
• 4.1 相对运动描述
• 4.2 小角度前提下的姿态 PD 控制律
• 4.3 目标运动为绕惯性主轴定轴转动的情况
• 4.4 按线性二次型设计的控制律
• 4.5 仿真算例
• 4.6 本章小结
• 第5章 观测目标特定面的姿态轨道联合控制
• 5.1 系统模型
• 5.2 控制律设计
• 5.3 稳定性证明
• 5.3.1 转动惯量确定的情况
• 5.3.2 转动惯量不确定的情况
• 5.4 仿真算例
• 5.5 本章小结
• 第6章 三角形编队姿态轨道联合控制
• 6.1 系统模型
• 6.2 期望姿态
• 6.3 动力学方程
• 6.4 控制律设计
• 6.5 仿真算例
• 6.6 本章小结
• 第7章 沿螺线轨道飞行的太阳帆航天器姿态被动控制
• 7.1 基础知识
• 7.1.1 太阳光压
• 7.1.2 对数螺线轨道
• 7.2 太阳帆姿态被动控制
• 7.3 仿真算例
• 7.4 本章小结
• 第8章 结论与展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果