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编队飞行卫星控制方法研究

作　者: 陈健
导　师: 徐波
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 控制理论控制工程
关键词: 卫星编队飞行 相对运动 摄动 椭圆轨道 编队控制 相对姿态控制
分类号: V448.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


本文对编队飞行卫星相对运动动力学模型和控制方法进行了初步研究,首先研究了编队飞行卫星相对轨道设计及其控制问题,最后研究了编队飞行卫星相对姿态动力学模型及其协同控制问题。基于二体假设,采用动力学方法研究了圆和椭圆编队卫星飞行的构成机理和动力学方程,从C-W方程的解析解出发,给出了圆编队绕飞轨道的初始化条件。但是由于C-W方程在椭圆编队设计中具有一定的局限性,为解决这一问题,研究了以参考轨道真近点角为自变量的T-H方程,并讨论椭圆编队绕飞轨道的一般初始化条件。根据相对轨道的摄动理论,分析了编队卫星相对轨道摄动的表达式。编队飞行卫星的相对位置控制是编队飞行的一项关键技术,本文对此进行了研究。基于C-W方程,设计了线性H∞控制器和H 2 /H∞综合控制器,基于椭圆编队相对轨道模型设计了非线性H∞控制器和滑模变结构控制器。推导了编队飞行卫星相对姿态的动力学方程和以单位四元数描述的运动学方程。提出了三种相对姿态协同控制器。首先,设计了一个非线性H∞控制器。并给出用线性矩阵不等式理论设计控制器参数的方法。其次,通过反馈线性化,将卫星相对姿态系统解耦为一个六维子系统和一个一维内动态系统,在此基础上运用滑模变结构控制理论设计了变结构控制器。最后,提出一种基于行为的分布式卫星相对姿态协同控制器。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-10
第一章 绪论  10-16
  1.1 立题背景  10-13
    1.1.1 课题研究的目的和意义  10-11
    1.1.2 编队飞行研究计划  11-13
  1.2 国内外编队飞行技术发展状况  13-15
    1.2.1 相对动力学研究现状  13
    1.2.2 协同控制研究现状  13-15
  1.3 本文工作与课题创新  15-16
    1.3.1 本文工作  15
    1.3.2 本文创新点  15-16
第二章 编队卫星绕飞轨道动力学模型  16-32
  2.1 坐标系定义  16-17
  2.2 圆编队动力学模型  17-23
    2.2.1 绕飞轨道动力学模型  17-19
    2.2.2 线性化C-W 方程  19-20
    2.2.3 圆编队绕飞轨道及初始化条件  20-23
  2.3 椭圆编队的动力学模型  23-27
    2.3.1 以真近点角为自变量的T-H 方程  24-25
    2.3.2 绕飞轨道的初始化条件  25-27
  2.4 摄动分析  27-31
    2.4.1 地球扁率J2 项摄动  28-30
    2.4.2 大气阻力摄动  30-31
  2.5 本章小结  31-32
第三章 卫星编队飞行相对轨道的保持与控制  32-56
  3.1 编队控制任务概述  32-33
  3.2 编队控制结构  33-34
  3.3 基于线性化C-W 方程的控制器设计  34-42
    3.3.1 H ∞控制和H2 /H ∞综合控制理论概述  34-38
    3.3.2 控制器设计  38-39
    3.3.3 仿真结果  39-42
  3.4 非线性H ∞控制器设计  42-47
    3.4.1 相对运动数学模型  42-43
    3.4.2 控制器设计  43-46
    3.4.3 仿真结果  46-47
  3.5 TERMINAL 滑模变结构控制器设计  47-55
    3.5.1 滑模变结构控制器基本原理  48-49
    3.5.2 Termimal 滑模控制器设计  49-52
    3.5.3 Termimal 滑模控制器稳定性证明  52-53
    3.5.4 仿真结果  53-55
  3.6 本章小结  55-56
第四章 编队卫星相对姿态控制  56-86
  4.1 卫星相对姿态的数学模型  56-59
    4.1.1 四元数  56-57
    4.1.2 用四元数表示坐标转换  57
    4.1.3 四元数表示的卫星姿态运动学方程  57-58
    4.1.4 卫星姿态动力学方程  58
    4.1.5 相对姿态动力学模型和运动学模型  58-59
  4.2 基于线性矩阵不等式的控制器设计  59-66
    4.2.1 Lyapunov 型控制器设计  61-63
    4.2.2 非线性H∞控制器设计  63-66
  4.3 基于反馈解耦的滑模变结构控制器设计  66-77
    4.3.1 反馈线性化概述  66-69
    4.3.2 将姿态系统解耦为单输入单输出系统  69-72
    4.3.3 姿态滑动模态变结构控制器设计  72-74
    4.3.4 仿真结果  74-77
  4.4 分布式姿态协同控制器  77-84
    4.4.1 系统描述  77-78
    4.4.2 控制器设计  78
    4.4.3 稳定性证明  78-81
    4.4.4 仿真结果  81-84
  4.5 本章小结  84-86
第五章 总结和展望  86-88
  5.1 课题总结  86
  5.2 研究展望  86-88
参考文献  88-91
致谢  91-92
在学期间的研究成果及发表的学术论文  92

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中图分类: > 航空、航天 > 航天（宇宙航行） > 航天仪表、航天器设备、航天器制导与控制 > 制导与控制 > 航天器制导与控制
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