编队飞行卫星控制方法研究资料下载.pdf

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控制理论控制工程指导教师：

徐波20090201南京航空航天大学硕士学位论文I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HH/2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。

关键字：

卫星编队飞行，相对运动，摄动，椭圆轨道，编队控制，相对姿态控制编队飞行卫星控制方法研究IIAbstractInthispaper,therelativemotionandperturbationmotionofformationsatellitesareanalyzed，andthenthedesignofrelativeorbitandcontrollawareresearchedinto.Finally，thecontrolofrelativeattitudeisdesigned.ThePrincipalContentsaresummarizedasfollows:

Basedonthetwo-bodyassumption,dynamicmethodisusedtoinvestigatethemechanismofsatelliteformationflyingoncircularandellipticalorbits.StartingfromtheanalyticalsolutionoftheC-Wequation,theflying-aroundorbitisprovedtobeanellipsecenteredatthereferencesatellite.ButC-Wequationhavedefinitelimitationinthedesignofsatelliteformationflyinginellipticalorbits.T-Hequationisexpressedastheexplicitfunctionformofreferenceorbittrueanomaly,Accordingtotherequirementthatrelativedynamicsequationofsatelliteformationflyinginellipticalorbitshasperiodicitysolution,thegeneralinitializationconditionofperiodicitymotionthatsatelliteformationflyinginellipticalorbitsisdiscussed.Basedonperturbationtheoryofsatellite,perturbationfactorsinfluencingrelativeorbitofformationsatellitesareanalyzed.Satelliteformationkeepingandcontrol，whichisonekeytechniqueofformationflying，areinvestigated.BasedonC-Wequation,theHcontrollerandHH/2synthesiscontrolleraredesigned.AnonlinearHcontrollerandaslidingmodeterminalcontrollerareobtainedwiththenonlinearmodelofrelativemotionTherelativeattitudeisderivedinkinematicsanddynamicsrespectively.Withlimiteddisturbancesconsidered,threecontrollersaredesigned.Firstly,aH-typecontrollerisproposedforspacecraftrelativeattitudecontrolproblem.Thecontrollerparametersaredesignedusingalinearmatrixinequalitymethod.Secondly,becausespacecraftrelativeattitudeisanonlinearMIMOsystem,bythefeedbacklinearization,therelativeattitudenonlinearsystemisturnedintoasix-degreelinearsubsystemandaone-degreeinternaldynamicssubsystem.Becauseone-degreeinternaldynamicsisstable,avariable-structure-controllerisdesignedbasedonthetheoryofdecentralizedslidingmodecontrolwithrespecttoeachattitudechannel.Thirdly,aclassofdecentralizedcoordinatedattitudecontrollawsusingbehavior-basedcontrolisdeveloped.Keywords:

Formationflying,Relativemotion,Perturbation,Ellipticalorbit,Formationcontrol,Relativeattitudecontrol编队飞行卫星控制方法研究VI图清单图2.1N颗卫星组成的编队.7图2.2相对动力学模型.8图2.3圆编队相对轨道和其在XY平面的投影.13图2.4圆编队在XZ平面和在YZ平面的投影.13图2.5椭圆编队相对轨道及其在XY平面的投影.14图2.6椭圆编队在XZ平面和在YZ平面的投影.14图2.7满足绕飞条件椭圆编队轨道及其在XY平面的投影.18图2.8满足绕飞条件椭圆编队在XZ平面和在YZ平面的投影.18图2.9卫星坐标系示意图.20图3.1编队控制结构示意图.23图3.2编队飞行的分层控制结构.24图3.3广义受控对象.25图3.4HH/2混合标准控制.27图3.5X轴向位置误差和速度误差.31图3.6Y轴向位置误差和速度误差.31图3.7Z轴向位置误差和速度误差.32图3.8三轴向控制加速度.32图3.9X轴位置误差和速度误差.36图3.10Y轴位置误差和速度误差.36图3.11Z轴位置误差和速度误差.37图3.12控制加速度.37图3.13滑模面上三种点的特性.38图3.14X轴位置误差和速度误差.43图3.15Y轴位置误差和速度误差.44图3.16Z轴位置误差和速度误差.44图3.17控制加速度.45图4.1主星姿态角和姿态角速度.65图4.2相对俯仰角和俯仰角速度.65图4.3相对滚转角和滚转角速度.66图4.4相对偏航角和偏航角速度.66图4.5从卫星控制力矩.67南京航空航天大学硕士学位论文VII图4.6相对俯仰角和俯仰角速度.72图4.7主从卫星俯仰力矩.72图4.8相对滚转角和滚转角速度.73图4.9主从卫星滚转力矩.73图4.10相对偏航角和偏航角速度.74图4.11主从卫星偏航力矩.74承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

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南京航空航天大学硕士学位论文1第一章绪论1.1立题背景1.1.1课题研究的目的和意义自从前苏联于1957年成功发射第一颗人造地球卫星以来，迄今已有数千颗人造卫星曾在或正在轨道上运行，它们被用于对地观测、深空探测、军事监测、卫星导航、通讯和天气预报，给人类的生活带来越来越大的变化。

但是，传统的大卫星有很多缺陷，例如体积大、质量重、研发周期长、耗资大、任务单一、缺少灵活性、局部故障可能导致整个任务失败等。

20世纪80年代以来，现代微电子、微机械、轻型复合材料和高精度加工等新技术、新材料、新工艺得到了飞跃发展。

在卫星设计方面，通过采用新的设计思想，打破传统大卫星的分层界限，强调功能集成、系统集成和充分发挥软件功能，从而出现了现代小卫星。

其具有高新技术含量高、功能密集度高以及成本低、性能好、研发周期短、质量轻、体积小等特点，可以实现批量生产。

现代小卫星技术的发展，使多颗卫星编队飞行成为可能，在20世纪90年代后期，卫星编队飞行1，2的概念被提了出来。

所谓卫星编队是指若干颗近距离卫星利用轨道的自然特性不加或略加控制，在空间围绕中心天体飞行，并保持特定的构型。

编队卫星也称为分布式卫星、网络卫星、伴随卫星簇等。

为了实现空间近距离伴随飞行，在二体假设下，编队卫星的轨道半长轴必须严格相等，而其它轨道根数至少有一个存在微小差异；

卫星星间形成特定的空间构型，可视为若干颗卫星环绕中心天体运行的同时，还伴随一颗参考卫星运行。

参考卫星是编队卫星的参考基准，它实际代表空间一个绕中心天体运动的点位，在该位置上是否放置一颗卫星可根据卫星编队飞行的需要确定。

为方便后续对相对运动的讨论，一般假设该位置有一颗卫星。

当该位置上放置有卫星时，称为实参考卫星，否则称为虚参考卫星。

参考卫星绕中心天体运动的轨道特性代表整个编队卫星绕中心天体运动的轨道特性。

伴随卫星是编队卫星中除参考卫星以外的其它卫星，在编队卫星运行过程中，它们始终伴随参考卫星一道绕中