基于连续小推力空间太阳能电站静止轨道保持方法研究

摘要

空间太阳能电站概念受到了国际的广泛关注，空间太阳能电站在外太空利用太阳能，具有较高的效率。由于空间太阳能电站不对环境造成污染且发展具有可持续性，因此它是人类寻求可再生能源的一个重要方向。根据目前的调研分析得知，让空间太阳能电站在静止轨道上运行更具有可行性，空间太阳能电站的轨道受到地球非球形摄动、日月引力摄动、太阳光压摄动的影响，使它在定点位置周围做周期性漂移运动，为能使空间太阳能电站保持在规定的范围内，需要根据制定的策略施加控制力。
　　空间太阳能电站帆板展开后具有柔性大、面积大、密度小、其自身承载能力有限的特性，致使大推力脉冲式变轨不能应用。小推力推进是大型航天器轨道保持的关键技术，它具有比冲高、消耗工质少，有效载荷比高、振动小、体积小、推力精确可控的优点。但是小推力幅值小、长时间连续作用的特征导致动力学方程不可积，其控制策略和已有的大推力策略截然不同，因此研究基于连续小推力太阳能电站静止轨道保持方法具有重要的工程价值。本文研究主要包括：
　　采用消除奇点的轨道根数，考虑地球非球形摄动、日月引力摄动、太阳光压摄动和推进系统推力的摄动影响，建立了准确的空间太阳能电站轨道动力学模型；基于连续小推力的特点，将轨道动力学模型在静止位置进行泰勒展开，实现了轨道动力学模型的线性化。
　　根据推力器系统约束和定点精度约束，将轨道保持变成一般的最优化问题并采用直接法对其求解。通过李雅普诺夫变换消除控制变量矩阵时间函数，对状态变量进行重构，利用矩阵变换使最优控制状态变量为重构变量。利用微分包含法对控制模型进行参数化和离散化处理，将最优控制问题转为序列二次规划问题，利用二次规划求解方法得到最优控制规律。
　　最后基于控制策略，设定推力器系统约束和定点精度初值，利用 matlab进行仿真分析，验证了在给定控制力约束将空间太阳能电站保持在定点精度保持方法策略的正确性。得出结论，在当前给定推进器系统的约束，能够实现 SPS轨道保持在定点精度为0.1度范围的目标，满足工程要求。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 地球静止轨道保持方法研究现状

1.3 轨迹优化研究现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 时间系统和坐标系统

2.1 引言

2.2 时间系统

2.3 坐标系统

2.4 轨道根数

2.5 本章小结

第3章 轨道动力学模型

3.1 引言

3.2 自然摄动

3.3 推进器推力摄动

3.4 轨道动力学模型

3.5 本章小结

第4章 轨道保持策略

4.1 引言

4.2 轨道位置保持

4.3 轨道漂移分析

4.4 小推力轨道保持策略

4.5 本章小结

第5章 轨道优化控制

5.1 引言

5.2 控制方程

5.3 微分包含法

5.4 CW方程优化

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

声明

致谢