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系绳式InSAR卫星系统动力学建模与展开控制研究

作　者: 张志刚
导　师: 张锦绣
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 飞行器设计
关键词: 系绳式InSAR 珠点式模型张力控制最优控制稳态保持
分类号: V448.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

空间系绳技术在上个世纪进入应用领域并得到了快速的发展，将空间系绳与卫星联系起来能够用到很多方面。本文主要研究了系绳式InSAR卫星系统的建模与展开控制，并对系统的稳态保持阶段进行了分析。系绳式InSAR卫星系统在工作时要求基线相对稳定，因此在建立系统的动力学模型时要将系绳的柔性特性考虑进去以求相对准确，由于绳系卫星系统又比较复杂，在对系统进行合理假设的基础上，使用牛顿力学分析法建立了系统的珠点式动力学模型。然后分析了系统的展开过程，确定了系统展开过程中的参数变化关系。在建立了系统的动力学模型之后，分析了系统在展开时的性能，得出了系统面内摆角在展开时的大致变化情况。接着使用两种常用的展开控制方法对系统的展开进行了数学仿真，结果表明在较小初始速度指数型展开控制律下系统的展开终止状态比较理想。但是与绳长速率控制相比，系绳张力控制的执行机构更加精确，因此又推导了一种系绳张力控制律，该控制律是基于系统的线性化模型推导得到的，在对该控制律进行了数学仿真验证后可以知道，该方法在系统展开过程中释放速度变化平缓且系绳摆动频率较低，但是展开结束时系绳的面内摆角相比于绳长速率展开偏大。在此情况下，使用了最优控制方法以求系统能够展开的目标位置。但是所选用的直接配点法不适用于状态变量数目变化的系统，因此在研究系统的最优控制展开时对系统的模型进行了简化，且系统质心轨道为圆轨道。在对系统的最优控制展开进行了数学仿真。结果表明系绳在该控制律下释放能够展开的目标位置附近，与预期目标差距很小。最后分析了InSAR卫星系统工作时所处的系统系留状态。首先对系统进行数学仿真，分析得到系统的理想系留状态系绳长度和系统的面内外摆动都很小，而有初始摆角偏差的系统在系留阶段系统的系绳长度变化很小，系统的面内外摆动均做类周期性运动，且无发散趋势。考虑到系统可能由于外部扰动而偏离理想状态，因此设计了系统面内外摆角控制律来控制系统的面内外运动，结果表明设计的控制律能够使系统的面内外摆角很快收敛到理想状态。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-18
  1.1 研究背景及意义  9
  1.2 国内外研究现状  9-16
    1.2.1 空间绳系项目  9-13
    1.2.2 绳系系统的建模  13-14
    1.2.3 绳系卫星系统的展开控制  14-16
  1.3 本文主要研究内容  16-18
第2章绳系卫星系统珠点式模型动力学建模  18-32
  2.1 引言  18
  2.2 绳系卫星系统珠点式模型动力学  18-29
    2.2.1 坐标系定义  20-21
    2.2.2 绳系卫星系统相对运动学方程  21-22
    2.2.3 一段珠点模型的受力分析  22-25
    2.2.4 绳系卫星系统珠点式动力学模型  25-29
  2.3 绳系卫星系统展开动力学模型  29-31
  2.4 本章小结  31-32
第3章基于珠点式模型的短绳系系统展开控制方法  32-47
  3.1 引言  32
  3.2 系统展开动力学模型分析  32-34
  3.3 系绳展开控制  34-38
    3.3.1 绳长速率控制  34-35
    3.3.2 基于小角度线性化的系绳张力控制  35-38
  3.4 仿真结果及分析  38-46
    3.4.1 匀速展开释放仿真结果  39-40
    3.4.2 指数型释放展开仿真结果  40-43
    3.4.3 系绳张力释放展开仿真结果  43-46
  3.5 本章小结  46-47
第4章基于直接配点法的系统最优展开控制方法  47-57
  4.1 引言  47
  4.2 系统展开最优控制的指标和约束  47-48
  4.3 展开最优控制方法的选取  48-52
    4.3.1 系统展开最优方法的选择  48-49
    4.3.2 系统展开简化模型  49-51
    4.3.3 直接配点法  51-52
  4.4 仿真结果及分析  52-56
  4.5 本章小结  56-57
第5章考虑空间环境摄动的系统系留状态稳定性分析及保持控制  57-70
  5.1 引言  57
  5.2 系统系留阶段状态变化研究  57-62
    5.2.1 考虑 J2和大气阻力摄动运行于椭圆轨道的系统理想系留状态  57-59
    5.2.2 分别考虑三因素时系统理想系留状态  59-60
    5.2.3 展开结束时进入系留状态后系统状态  60-62
  5.3 系统系留阶段受到扰动时的摆角控制  62-69
    5.3.1 系绳面内外摆角推力控制律的推导  62-66
    5.3.2 数学仿真结果  66-69
  5.4 本章小结  69-70
结论  70-72
参考文献  72-76
攻读学位期间发表的学术成果  76-78
致谢  78

系绳式InSAR卫星系统动力学建模与展开控制研究

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