库仑力两星编队稳定性分析及队形控制方法

摘要

近年来出现的新概念卫星编队飞行技术——库仑力编队是解决近距离编队碰撞规避和对邻近卫星敏感器件污染等问题的有效途径之一,主要适合用于轨道较高且需要大视野的近距离编队飞行干涉测量。本文在库仑力编队飞行概念的支撑下,研究了库仑力编队飞行的动力学模型、系统的稳定性以及队形重构等问题。
　　本文首先分析了库仑力卫星编队在空间等离子环境中的德拜屏蔽效应,讨论在地球同步轨道进行库仑力编队的适用性,并分析充电过程中扰动力对编队性能的影响。同时,在希尔模型的前提下,利用拉格朗日方程建立库仑力卫星编队的动力学模型。
　　通过对编队动力学方程的简化,推导卫星编队瞬时稳定时的基本方程。在此基础上,本文研究了两星库仑力编队的三种瞬时稳定构型,并推导了构型方程。此外,本文还研究了两类三星编队构型,即共线三星构型和等边三角形构型,并得到了构型方程。
　　考虑到编队过程中可能发生的扰动,本文选择地球矢径方向两星编队和轨道切线方向两星编队进行稳定性分析。通过分别设计反馈控制规律,并分析控制方案的特性,成功地对这两类编队的相对位置偏差进行了控制。
　　针对于地球矢径方向上的两星库仑力编队,本文还设计了基于PD控制的轨道机动方案,使两星编队在25m至35m的相对距离之间完成远离和靠近的机动,取得了较为理想的控制效果,该方案稍加改造即可以应用于编队卫星的近距离干涉测量。
　　最后,本文还设计了两星编队队形重构的最优控制方案。基于最优控制原理的三类目标函数,并采用勒让德伪谱法近似求解,本文分别设计了同轨道的最优轨道机动方案和变轨的最优轨道转移方案,并分析和对比了不同轨道转移方案的优劣。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1课题研究的目的和意义

1.2国内外研究现状及分析

1.3本文主要研究内容

第2章 相关理论基础与动力学建模

2.1引言

2.2坐标系的定义

2.3德拜屏蔽效应

2.4充电过程的扰动分析

2.5希尔模型

2.6动力学模型的建立

2.7稳定模型方程的简化

2.8本章小结

第3章 编队瞬时稳定构型分析

3.1引言

3.2基本平衡条件的分析

3.3两星问题的编队构型

3.4三星问题的编队构型

3.5本章小结

第4章 两星编队的稳定性分析与控制

4.1引言

4.2地球矢径方向两星编队的稳定性分析

4.3轨道切线方向两星编队的稳定性分析

4.4本章小结

第5章 矢径方向两星编队的位置机动控制

5.1引言

5.2矢径方向两星编队机动特性分析

5.3控制算法的稳定性分析

5.4仿真结果及分析

5.5本章小结

第6章 两星编队的队形重构及最优控制

6.1引言

6.2混合动力源的队形重构动力学

6.3控制系统分析

6.4数值仿真结果及分析

6.5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

声明

致谢