空间电站大尺度光电薄膜主动协同展开方法研究

摘要

在太空微重力环境下，大尺度柔体动力学极为复杂，采用诸如桁架伸缩递进展开方式、充气展开方式和依靠离心力旋转的展开方式等传统展开方式会造成展开过程可靠性大大降低。尤其是空间电站光电薄膜这类千米级超大柔性体，其有效展开更是面临着巨大的技术挑战。同时，随着膜面积的增大，其展开后的姿态调整与保持也越来越困难。因而，本文提出一种基于主动协同控制实现大尺度光电薄膜可靠展开的方法，将大尺度薄膜展开过程位置控制与姿态稳定控制问题转化为编队服务飞行器的协同控制问题，考虑展开过程中膜结构对编队飞行器的横向振动干扰力与编队飞行器控制系统输出给膜的控制力间相互影响。本文的主要研究工作如下：
　　首先，对编队服务飞行器系统轨道、姿态运动模型进行分析，建立轨道相对运动动力学模型和基于四元数的姿态运动学方程、动力学方程。给出表示服务飞行器间通信关系的图论知识及对应的各类矩阵性质。
　　其次，给出空间电站薄膜在轨组装与展开方案，基于一致性理论设计编队系统展开过程中能量消耗最优的轨道协同控制器，分析控制系统稳定性，通过仿真实验验证所设计控制器的有效性。
　　第三，针对空间电站薄膜展开过程中编队系统的姿态一致性问题，设计自适应滑模控制器，同时，考虑滑模向量穿过其滑模面时，由于存在时间延迟和空间滞后，将会使得控制器不连续，由此引起控制输入变量发生抖振，为此，提出一种具有抖振抑制的自适应滑模控制方法，从而实现薄膜展开过程中的姿态一致性和展开后的姿态保持与稳定。
　　最后，针对编队展开系统相对轨道运动和相对姿态运动的耦合问题（姿轨耦合），基于对偶四元数设计姿轨耦合协同控制律。为研究空间电站薄膜展开过程的扰动，使用有限元仿真软件对薄膜结构进行模态分析，得到其振动固有频率和振型信息，并将横向振动干扰力引入编队飞行器控制系统，从而实现姿轨耦合控制系统的可靠仿真。

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第1章 绪论

1.1课题来源及研究背景和意义

1.2国内外研究现状及分析

1.3主要研究内容

第2章 空间飞行器编队系统动力学建模

2.1常用坐标系定义

2.2轨道动力学模型

2.3姿态运动学与动力学模型

2.4图论基础

2.5本章小结

第3章 大尺度薄膜轨道协同控制展开

3.1空间电站薄膜在轨组装与展开方案设计

3.2分布式主动协同展开控制器设计

3.3仿真实验与分析

3.4本章小结

第4章 空间飞行器姿态自适应协同控制

4.1自适应滑模控制器

4.2自适应滑模抖振抑制控制器

4.3本章小结

第5章 基于对偶四元数的姿轨耦合控制

5.1对偶四元数

5.2基于对偶四元数的动力学模型

5.3薄膜结构分析

5.4姿轨耦合协同控制研究

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其他研究成果

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致谢