复杂遥感卫星动力学与控制相关问题研究

摘要

现代航天器结构向着大型化、柔性化的方向发展，系统日益复杂，尤其是对于高精度、高分辨率大型复杂遥感卫星，其运动形式多样、任务剖面丰富、控制精度要求越来越高，因此在复杂遥感卫星动力学建模与姿态控制中，需要考虑的因素越来越多，其中卫星系统中构件挠性、贮箱液体晃动、柔性附件驱动机构运动副间隙接触碰撞等对卫星系统的动力学性能与姿态控制有着十分重要的影响，因此对高精度柔性遥感卫星动力学建模与姿态控制相关问题的研究，以达到遥感卫星高精度和高稳定度性能指标，具有重要的理论意义和工程实用价值。本文从航天工程应用的实际需求出发，以具有代表性构型的大型柔性充液遥感卫星为研究对象，该模型具有多个挠性部件、多个充液贮箱以及可转动的相机和天线，针对该遥感卫星，对卫星系统柔性附件展开过程、在轨耦合动力学特性以及姿态稳定控制等相关问题开展理论分析和工程应用研究。主要包含以下内容：
　　首先，研究一般构型的柔性多体遥感卫星系统动力学建模。分析柔性多体遥感卫星系统动力学特征，根据速度变分原理，建立了比较完备的卫星动力学方程组，包括卫星平动方程，卫星姿态方程，挠性部件振动方程，液体晃动方程，相机转动方程和天线转动方程，是以后各章研究的基础。
　　而后，研究铰链间隙对柔性附件展开过程以及卫星姿态运动的影响。针对含间隙的多体系统，建立间隙铰的数学模型，以非线性连续接触碰撞力模型表示间隙铰的接触碰撞，同时采用改进的库伦摩擦模型描述铰间间隙处的摩擦作用。在此基础上，将该模型应用到航天领域，以含间隙柔性太阳帆板展开过程为研究对象，对含间隙太阳帆板展开过程进行数值仿真，研究在柔性附件展开过程中铰链间隙对柔性附件以及卫星姿态运动的影响规律。
　　进而，在遥感卫星柔性附件展开锁定后，研究遥感卫星在轨耦合动力学特性。在整星系统建模的基础上，分析各种扰动因素对卫星姿态运动的影响，分别对遥感卫星结构的不对称性、挠性部件振动以及液体晃动对卫星姿态的影响进行了研究，分析结果为姿态控制设计奠定了基础。
　　然后，在复杂遥感卫星动力学建模与分析的基础上，研究柔性遥感卫星姿态控制技术，分别基于PID控制和H∞控制方法设计了卫星姿态控制方案。其中 H∞控制方案设计采用混合灵敏度方法进行设计，选择卫星中心刚体为控制对象，挠性部件和液体晃动作为系统的乘性不确定性，设计出了4阶的控制器，避免了H∞控制器阶数高的问题，并且控制器具有良好的鲁棒性。
　　最后，设计了针对可动部件转动的卫星姿态复合控制方案。首先针对相机转动和天线转动设计卫星姿态控制的前馈控制，由于卫星的平动与姿态存在较强的耦合作用，论文结合了卫星动力学方程中平动方程以及姿态方程来设计卫星姿态前馈控制力矩，对卫星姿态角受到的干扰起到了比较明显的抑制作用。在此基础上，设计了相机指向和天线指向的复合控制。相机指向控制采用基于PID的复合控制方法，分析了卫星姿态对相机指向的影响，采用了卫星姿态与相机指向协调控制的方法，有效的提高了相机指向精度。

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第1章 绪论

1.1课题研究背景与意义

1.2柔性多体航天器系统动力学研究现状

1.3航天器姿态控制研究现状

1.4国内外研究现状分析

1.5学位论文主要研究内容

第2章 复杂柔性多体卫星系统动力学建模

2.1大型挠性充液卫星基本描述

2.2各组件运动学描述

2.3虚功率计算

2.4动力学方程建立

2.5本章小结

第3章 铰间间隙对遥感卫星附件展开特性影响研究

3.1含间隙旋转铰的数学模型建立

3.2间隙接触碰撞力模型建立

3.3旋转铰间隙摩擦力模型建立

3.4铰链间隙对遥感卫星附件展开特性影响

3.5本章小结

第4章 复杂遥感卫星耦合动力学特性研究

4.1复杂遥感卫星耦合动力学建模

4.2卫星耦合动力学特性分析

4.3卫星姿态PID控制

4.4本章小结

第5章 柔性遥感卫星H∞姿态控制方法研究

5.1标准H∞控制问题

5.2权函数的选择

5.3卫星姿态H∞控制器设计

5.4本章小结

第6章 柔性遥感卫星系统复合控制研究

6.1卫星姿态前馈控制设计

6.2相机指向控制设计

6.3天线指向控制设计

6.4本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文与其它成果

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