深空環(huán)境下近距離繩系衛(wèi)星系統(tǒng)控制方法研究.pdf

1、應用多體航天器編隊技術進行深空探測是21世紀空間技術發(fā)展的新趨勢。而繩系衛(wèi)星系統(tǒng)作為多體航天器編隊中的一種特殊形式，與自由編隊飛行相比具有控制精度高，節(jié)約燃料等優(yōu)點，尤其適用于合成孔徑雷達等空間觀測任務，可以進一步提高人類深空探測的能力。但是由于系統(tǒng)的復雜性與多樣性，需要根據(jù)具體的繩系衛(wèi)星系統(tǒng)結構與目標，進行動力學建模分析與控制器設計來滿足任務需求。本文在總結已有成果的基礎上，以國家自然科學基金項目“深空環(huán)境下繩系衛(wèi)星動力學建模與控制研

2、究”為研究背景，對近距離繩系衛(wèi)星系統(tǒng)的系繩平臺姿態(tài)控制、相對位置控制及平動點附近的姿軌耦合控制問題進行了深入研究，論文主要包含以下三個部分內容：
　　針對深空環(huán)境下多體旋轉繩系衛(wèi)星系繩平臺的姿態(tài)控制問題，以改變平臺旋轉角速度并穩(wěn)定速度變化引起的擺動角運動為控制目標，以最優(yōu)性和魯棒性為前提，研究了全驅動系統(tǒng)和欠驅動系統(tǒng)的魯棒最優(yōu)控制器設計，并進行了深入分析。給出了多體旋轉繩系衛(wèi)星系繩平臺的姿態(tài)非線性運動方程，應用同步性理論對其進行了

3、簡化，以此為控制對象，首先考慮系統(tǒng)存在的未知干擾與不確定性問題，將最優(yōu)控制理論、自適應理論和魯棒誤差符號積分方法相結合進行了魯棒最優(yōu)控制器的設計與分析，不僅考慮到最優(yōu)性還能保證系統(tǒng)的魯棒性。以此為基礎，考慮無推力器的欠驅動情況，應用微分同胚映射理論將系統(tǒng)進行轉化，進一步應用魯棒最優(yōu)控制方法設計了欠驅動系繩平臺的姿態(tài)穩(wěn)定控制器。通過對二體旋轉繩系衛(wèi)星系統(tǒng)和直連式三體繩系衛(wèi)星系統(tǒng)進行仿真與對比分析，驗證了控制器設計的有效性。
　　針對

4、深空環(huán)境下多體庫侖衛(wèi)星系統(tǒng)的相對位置控制問題，首先對二體及三體庫侖衛(wèi)星系統(tǒng)進行了動力學建模與分析?？紤]到庫侖推進器的控制輸入飽和及外界干擾的存在，應用光滑函數(shù)近似飽和函數(shù)將系統(tǒng)進行增廣，結合反步法提出了二體庫侖衛(wèi)星相對位置控制方法，并利用Nussbaum函數(shù)解決增廣系統(tǒng)的控制系數(shù)時變引起的問題。在此基礎上，考慮到庫侖力的控制范圍和衛(wèi)星之間潛在的碰撞帶來的系統(tǒng)狀態(tài)有約束的問題，構造了狀態(tài)限制輔助函數(shù)，應用反步法設計了控制受限下的二體庫侖衛(wèi)

5、星系統(tǒng)的相對位置控制器。進一步考慮到無速度信息反饋的情況，結合濾波器的方法設計了庫侖衛(wèi)星相對位置輸出反饋控制器。最后，考慮僅采用庫侖力控制的一般三體庫侖衛(wèi)星系統(tǒng)的相對位置控制問題，由于其系統(tǒng)具有非線性、非仿射性和多約束等特殊條件，應用一般論文最后一部分針對深空環(huán)境下長周期運動中二體繩系衛(wèi)星姿態(tài)與軌道穩(wěn)定控制問題進行了研究。為了進行具體分析，假設系統(tǒng)質心位于地-月系共線平動點附近。在限制性三體問題下，應用歐拉-拉格朗日方法建立了二體繩系衛(wèi)

6、星系統(tǒng)的非線性姿態(tài)軌道耦合動力學模型，并以此為控制對象設計了基于二次型最優(yōu)問題的非線性 SDRE控制器?？紤]到在軌道運動中位置速度信息不易獲得的情況，應用SDRE狀態(tài)觀測器理論對速度信息進行觀測，并與非線性 SDRE反饋控制方法結合，設計了非線性 SDRE輸出反饋控制器。接下來，考慮到長期運動過程中，空間中存在的干擾會對系統(tǒng)穩(wěn)定造成影響，對太陽光壓力、軌道偏心率和太陽引力攝動等主要干擾進行了分析。并針對考慮干擾影響的二體繩系衛(wèi)星系統(tǒng)魯棒