椭圆轨道卫星编队保持控制算法研究

摘要

小卫星编队飞行因其低成本、高性能及高自主性而备受重视与青睐。椭圆轨道可以通过配置远地点增加对目标区域的覆盖时间，进而提高卫星的使用效率，因此比圆轨道更有优势。由于摄动和构型设计偏差的存在，使编队卫星偏离预定的轨道，因此必须进行保持控制。此外，保持控制也是所有编队控制中的基础问题，卫星编队进行任何控制操作后几乎都需要构型保持控制来达到稳定。本文重点研究椭圆轨道卫星编队的保持控制问题，论文的主要研究内容如下：
　　（1）首先推导表达在目标星轨道坐标系下的相对运动方程，然后利用反馈线性化、变量替换的方法将相对运动方程转化为以真近点角为自变量的线性化无量纲模型，给出两者的转换关系，并对比两模型的优缺点。最后推导相对摄动加速度的表达式。
　　（2）研究考虑未知有界摄动情况下椭圆轨道编队保持的滑模控制方法。首先基于时域的相对运动模型，从提高系统精度和鲁棒性的角度，设计全程积分滑模控制律，并采用位置偏差到达±0.02m和速度偏差到达±0.001m/s两项指标共同作为衡量保持到位的标准；其次，设计自适应滑模控制律，可以实现对摄动上界的自适应估计，降低控制律设计的保守性。最后，考虑真近点角域模型具有形式简单、时变性不强、无需测量目标星绝对位置信息等优点，基于真近点角域模型设计线性滑模控制律。
　　（3）研究摄动已知情况下椭圆轨道编队保持的backstepping控制方法。首先基于backstepping方法设计全状态反馈控制律；其次，通过变量替换的方法将相对运动方程转化为输出反馈的形式，建立状态估计器，并基于backstepping方法设计输出反馈控制律，利用Lyapunov稳定性理论分析系统的稳定性；最后，基于真近点角域模型设计backstepping控制律。
　　（4）研究摄动未知情况下椭圆轨道编队保持的神经网络自适应控制方法。首先将摄动表示为神经网络函数的形式，设计自适应律对摄动进行逼近，并结合滑模控制方法设计全状态反馈控制律，可以证明通过合理选取控制参数轨迹跟踪误差可以收敛到任意小的区域；在此基础上，设计无需相对速度信息测量的输出反馈控制律。最后，对滑模控制、backstepping控制、神经网络自适应三种控制方法的控制效果进行对比分析。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景及目的意义

1.2 椭圆轨道卫星编队控制研究现状

1.3 目前椭圆轨道编队保持控制存在的问题

1.4 主要研究内容及章节安排

第2章 椭圆轨道编队相对动力学基础

2.1 引言

2.2 坐标系定义

2.3 椭圆轨道编队的相对动力学模型

2.4 相对摄动分析

2.5 本章小结

第3章 椭圆轨道编队保持的滑模控制律设计

3.1 引言

3.2 全程积分滑模控制

3.3 自适应滑模控制

3.4 基于真近点角域模型的滑模控制

3.5 本章小结

第4章 椭圆轨道编队保持的backstepping控制律设计

4.1 引言

4.2 基于backstepping方法的全状态反馈控制

4.3 基于backstepping方法的输出反馈控制

4.4 基于真近点角域模型的backstepping控制

4.5本章小结

第5章 椭圆轨道编队保持的神经网络自适应控制律设计

5.1 引言

5.2 基于神经网络自适应的全状态反馈控制

5.3 基于神经网络自适应的输出反馈控制

5.4三种控制方法对比分析

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它成果

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