绳系卫星的动力学与控制研究

论文摘要

绳系卫星在近地空间应用和深空探测方面有重要的用途。本文对绳系卫星的动力学与控制问题进行了研究。主要研究了绳系卫星的展开回收控制、绳系卫星的非开普勒轨道与变轨特性、月球绳系卫星的稳定性与系绳设计等问题。首先建立了绳系卫星的动力学模型。给出了系统的微分方程。然后分别用KTC定理和优化算法设计了系绳展开回收的拉力控制律。根据KTC定理给出的稳定性的判别方法,对弹性力、陀螺力和阻尼力对系统稳定性的作用进行了分析。在分析的基础上设计了不同的参数,并进行了数值仿真。数值仿真的结果表明KTC定理设计的控制律可以有效地控制系绳的展开。然后使用粒子群算法和模式搜索相结合的优化算法来优化系绳拉力并展开子星。这种控制方法的优点是对系绳展开后的终端状态有灵活的控制能力,可以实现子星展开到平衡位置时,速度也为零;也可以使子星展开到平衡位置时,速度较大;还可以使子星展开到非平衡位置时,速度为零。上述的几种情况在绳系卫星执行特殊任务时可以加以应用,所以使用优化算法控制的展开大大拓展了绳系卫星执行任务的能力。由于受到系绳拉力作用,绳系卫星的轨道是非开普勒轨道。研究了二维的子星轨道的问题并给出了解析解。给出了面内角为零情况下子星的轨道方程。证明了只要主星的轨道是圆,那么子星的轨道也是圆。且子星的角速度和主星的角速度相同。进而对悬挂轨道进行了分析。然后对子星在展开、释放后的变轨进行了研究,推导出了圆轨道、椭圆轨道静态释放的结果和圆轨道动态释放的结果,分析了系绳长度、轨道高度、主星轨道偏心率对变轨结果的影响。最后将展开控制和动态释放做了一个整体的分析。月球绳系卫星是绳系卫星在深空探测方面的应用之一。本文通过分析卫星在地球和月球引力下的限制性三体问题,建立了系统的微分方程。进一步分析了系统稳定性。证明了L1、L2两个位置是平衡位置,且系统势能在这两个位置取极小值,通过L1、L2点的月球绳系卫星系统的是稳定的。最后对系绳的受力和材料强度进行了分析,表明只有碳纳米管满足要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 课题背景与研究意义
• 1.2 历史发展概述
• 1.3 课题情况调研
• 1.4 论文主要工作
• 第2章 绳系卫星的基本动力学性质
• 2.1 模型建立
• 2.2 微重力的产生原因
• 2.3 动量交换与轨道改变
• 2.4 电磁力产生机理分析
• 第3章 绳系卫星的展开回收控制
• 3.1 利用KTC定理设计线性控制律
• 3.1.1 控制律设计
• 3.1.2 数值仿真
• 3.1.2.1 稳定展开
• 3.1.2.2 阻尼阵非正定
• 3.1.2.3 非保守力作用
• 3.1.2.4 陀螺力作用
• 3.2 直接优化的展开回收控制
• 3.2.1 问题的提出
• 3.2.2 任务需求与控制方法分析
• 3.2.3 优化方法描述
• 3.2.3.1 粒子群方法
• 3.2.3.2 模式搜索方法
• 3.2.4 数值仿真与结果比较
• 3.2.5 利用优化算法控制的更多情况的展开
• 3.2.5.1 展开系绳到非平衡位置
• 3.2.5.2 展开系绳到平衡位置时具有较大角速度
• 3.3 展开物理过程描述
• 第4章 绳系卫星的非开普勒轨道特性
• 4.1 二维模型的子星轨道
• 4.1.1 子星轨道方程
• 4.1.2 子星非开普勒轨道的应用
• 4.2 子星释放后的变轨
• 4.2.1 圆轨道静态释放
• 4.2.2 圆轨道动态释放
• 4.2.3 椭圆轨道静态释放
• 4.3 子星展开与动态释放的配合
• 4.3.1 KTC定理设计的展开与释放
• 4.3.2 优化算法设计的展开与释放
• 4.3.3 结果讨论
• 第5章 月球绳系卫星
• 5.1 力学分析
• 5.2 方程建立与稳定性分析
• 5.3 系绳设计
• 5.4 小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果