微小卫星编队飞行轨道姿态协同控制技术研究

论文摘要

微小卫星编队飞行是近十年来航天领域的研究热点，具有广泛的应用前景。多目标编队的协同策略主要有主从式方法、基于行为的方法和虚拟结构方法，本文利用其中的两种协同策略分别设计卫星的轨道和姿态的协同控制律，实现编队构型的保持控制、编队的整体机动控制以及姿态的协同控制。引入对偶四元数将编队卫星的轨道和姿态模型统一描述，使轨道和姿态的协同控制律能够统一设计，在航天器动力学建模和控制领域应用中具有更好的优势。本文主要研究内容和创新成果如下：(1)分析了编队飞行卫星间的相对运动理论，建立了相对轨道动力学模型，给出了编队卫星绕飞条件。详细地阐述了姿态参数的描述方法，比较了各自的优缺点。建立了基于四元数法的相对姿态运动学及动力学模型。(2)利用主从式方法研究编队协同控制问题。以两颗卫星编队为例，提出了一种轨道LQR协同控制律，分析了系统的稳定性，仿真验证了在干扰存在的情况下，从星相对主星能够完成编队保持。采用一颗主星，两颗从星的主从式编队结构，提出了一种包含从星姿态以及从星相对主星的姿态协同控制律，在主星达到期望姿态的过程中，从星跟踪主星姿态，最终协同到期望姿态。分析了控制参数对姿态协同控制律的影响，并指出在干扰较强的情况下，不宜采用此协同控制律。(3)提出了一种利用虚拟结构方法进行整体协同控制的方法，把整个编队视为一个虚拟刚体，进行整体的控制或机动，并在机动过程中，保持编队构型。以三颗卫星编队为例，设计了虚拟结构的动力学和运动学控制器。动力学控制器包含编队队形的反馈，实现对编队速度的控制；针对外部干扰，设计了姿态变结构控制器。对于虚拟结构动力学控制，分别给出了有编队队形反馈和没有队形反馈的两种控制律，并进行了对比仿真验证，结果表明，没有队形反馈，编队不能很好地保持原始构型，而加入编队队形反馈后，误差显著减小，收敛速度加快，在机动过程中实现了编队构型保持不变。(4)应用对偶四元数研究微小卫星编队飞行问题。从几何的角度证明了对偶四元数能够完整得表示刚体运动中的旋转和平移，实现坐标变换。建立了基于对偶四元数的单颗卫星姿态运动学和姿态动力学方程，并在此基础上，以两颗卫星编队为例，推导了基于对偶四元数的相对运动学和动力学模型。(5)提出了一种基于对偶四元数的协同控制方法，将信息一致性理论应用到编队飞行控制问题中，设计了应用对偶四元数的协同控制律，对四颗卫星的位姿同步及位姿跟踪控制进行了仿真验证，结果显示均能在500秒以内实现位姿的同步和跟踪。(6)设计了一套编队卫星嵌入式仿真平台，利用四个PC104系统模拟编队中的卫星，给出了该系统卫星任务调度的流程，利用该系统可以用来验证编队控制算法和开发卫星管理软件。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.2 卫星编队飞行发展现状
• 1.2.1 国外发展现状
• 1.2.2 国内发展现状
• 1.3 课题相关研究综述
• 1.3.1 卫星编队飞行相对轨道运动模型
• 1.3.2 多目标协同控制方法
• 1.3.3 卫星编队飞行相关技术分析
• 1.3.4 对偶四元数的应用和发展
• 1.4 论文研究内容
• 第二章 卫星编队飞行相对运动模型
• 2.1 引言
• 2.2 卫星编队坐标系
• 2.2.1 编队坐标系定义
• 2.2.2 坐标系间的旋转变换
• 2.3 相对轨道运动模型
• 2.3.1 相对轨道动力学方程
• 2.3.2 轨道根数描述相对运动
• 2.4 姿态的描述
• 2.4.1 方向余弦矩阵
• 2.4.2 欧拉角
• 2.4.3 四元数
• 2.4.4 姿态描述对比
• 2.5 卫星姿态动力学和运动学模型
• 2.5.1 卫星动力学模型
• 2.5.2 姿态运动学模型
• 2.6 小结
• 第三章 主从式结构编队协同控制
• 3.1 引言
• 3.2 相关控制理论
• 3.2.1 LQR 控制理论
• 3.2.2 李雅普诺夫稳定性理论
• 3.2.3 协同控制理论
• 3.3 轨道协同控制
• 3.3.1 LQR 控制律设计
• 3.3.2 仿真结果与分析
• 3.4 姿态协同控制
• 3.4.1 姿态协同控制律设计
• 3.4.2 仿真结果及分析
• 3.5 小结
• 第四章 基于虚拟结构的卫星编队协同控制
• 4.1 引言
• 4.2 虚拟结构协同控制
• 4.2.1 编队卫星模型
• 4.2.2 编队虚拟结构模型
• 4.3 控制算法设计
• 4.3.1 控制律设计
• 4.3.2 虚拟结构姿态变结构控制律
• 4.3.3 稳定性证明
• 4.4 仿真结果与分析
• 4.5 小结
• 第五章 基于对偶四元数的一致性编队协同控制
• 5.1 引言
• 5.2 对偶四元数
• 5.2.1 对偶数及对偶向量
• 5.2.2 对偶四元数
• 5.2.3 四元数与对偶四元数的比较
• 5.3 对偶四元数运动模型
• 5.3.1 单卫星姿态运动学方程
• 5.3.2 单卫星姿态动力学方程
• 5.3.3 相对运动模型
• 5.4 信息一致性和信息拓扑图理论
• 5.4.1 信息一致性理论
• 5.4.2 信息拓扑图理论
• 5.5 对偶四元数一致性协同控制研究
• 5.5.1 对偶四元数数学模型
• 5.5.2 协同控制律设计
• 5.6 仿真结果及分析
• 5.6.1 仿真初始化
• 5.6.2 同步协同控制
• 5.6.3 跟踪协同控制
• 5.6.4 与四元数姿态描述对比分析
• 5.7 小结
• 第六章 编队飞行嵌入式仿真平台
• 6.1 引言
• 6.2 仿真平台
• 6.2.1 PC104 平台微小卫星系统
• 6.2.2 Vxworks 操作系统
• 6.2.3 PC104 的 Vxworks 开发环境的建立
• 6.2.4 平台软件架构
• 6.3 卫星任务调度
• 6.3.1 卫星平台功能调度
• 6.3.2 轨道姿态控制功能调度
• 6.3.3 卫星动力学仿真调度
• 6.3.4 终端显示
• 6.4 小结
• 第七章 总结和展望
• 7.1 论文工作总结
• 7.2 进一步工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文