航天器伴随飞行保持控制方法研究

论文摘要

本文以航天器伴随飞行问题为研究对象,结合伴飞航天器的任务需求,重点研究航天器伴飞运动与保持控制问题,为我国未来航天器伴随飞行技术发展提供理论基础和技术支持。针对基于动力学和运动学分析方法建立的伴飞相对运动模型,仿真分析了模型误差,得到了空间圆构形与当地水平投影圆构形两种特殊构形的绕飞约束及轨道参数描述,比较分析了两种建模方法所得模型,为建立航天器伴飞运动模型提供有益参考。针对基于相对测量数据的构形参数确定方法,建立了基于最小二乘法和Kalman滤波求解构形参数的求解方法,利用最小二乘法进行了仿真,分析表明观测组数增加,误差显著减小,为航天器伴飞构形表达式确定提供了有效手段。分析了不同推力模式能控性,基于简单多冲量的伴飞控制策略,伴飞航天器可以得到有效的构形保持控制,精度较高,提出了利用多次沿迹向冲量与轨道面法向冲量组合实现“伴飞到停靠”模式切换的控制策略,建立了总燃耗与始末构形参数关系,推导了控制冲量作用与相对运动构形参数的关系表达式,总结了长半轴不等的伴飞构形保持控制策略,建立了长期伴飞的保持控制流程,采用基于Lyapunov的构形保持控制方法,实现了高精度伴飞保持控制。建立了基于Floquet模式的编队飞行相对运动构形控制方法,比较分析了基于Floquet模式的伴飞构形保持控制方法与直接消除速度偏差方法。理论分析与仿真均表明基于Floquet模式的控制方法具有很大优势,是一种考虑长期运动、具有较强鲁棒性的控制方法。总之,本文的研究为航天器的伴随飞行控制方法进行了较为深入的研究,其成果将为我国未来的编队飞行任务提供参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 伴随飞行保持控制综述
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 本文研究内容及章节安排
• 第二章 航天器伴飞运动建模
• 2.1 引言
• 2.2 坐标系定义
• 2.3 基于动力学方法的伴飞运动建模
• 2.3.1 伴飞动力学方程
• 2.3.2 Hill方程的解析解及误差分析
• 2.3.3 两类特殊构形的动力学分析
• 2.4 基于运动学方法的伴飞运动建模
• 2.4.1 伴飞运动学方程
• 2.4.2 轨道根数法误差分析
• 2.4.3 两类特殊构形的轨道根数法分析
• 2.5 动力学与运动学建模方法比较分析
• 2.6 小结
• 第三章 伴飞构形表达与确定
• 3.1 引言
• 3.2 基于相对位置测量的伴飞构形模型
• 3.3 伴飞构形的求解
• 3.3.1 最小二乘法估计? X
• 3.3.2 Kalman滤波方法求解
• 3.3.3 最小二乘法计算
• 3.4 小结
• 第四章 基于冲量控制策略的伴飞构形保持控制方法
• 4.1 引言
• 4.2 推力模式能控性分析
• 4.3 近程交会方案冲量控制策略仿真分析
• 4.3.1 冲量假设条件下控制策略仿真结果分析
• 4.3.2 多种误差条件下控制策略仿真结果分析
• 4.4 伴飞到逼近的冲量控制策略与能耗
• 4.4.1 用二次沿迹向冲量进行沿迹向相对位置的调整
• 4.4.2 三次沿迹控制冲量的求解
• 4.4.3 轨道面法向控制冲量的求解
• 4.4.4 总燃耗与始末构形参数的关系
• 4.4.5 伴飞到停靠模式切换仿真
• 4.5 考虑长半轴不等的伴飞构形保持控制
• 4.5.1 控制策略
• 4.5.2 长期伴飞保持控制
• 4.6 高精度伴飞构形保持控制
• 4.6.1 动力学方程
• 4.6.2 反馈控制律
• 4.6.3 高精度构形保持仿真
• 4.7 小结
• 第五章 基于Floquet模式的伴飞构形保持控制方法
• 5.1 引言
• 5.2 编队飞行的相对运动方程
• 5.3 编队飞行的Floquet模式分析
• 5.4 基于Floquet模式的编队飞行保持控制方法
• 5.5 Floquent模式编队飞行保持控制仿真
• 5.5.1 仿真初始条件
• 5.5.2 无控构形仿真
• 5.5.3 基于Floquet模式与直接消除速度偏差的构型保持控制对比
• 5.5.4 Floquet 模式的仿真分析
• 5.6 小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文