基于电磁力的分离式航天器相对轨道控制方法

摘要

采用电磁力控制分离式航天器各模块卫星的相对位置,相对于传统的推力器控制具有无燃料消耗和无羽流污染的显著优势,但同时也带来了强耦合性和非线性的巨大挑战。本文针对电磁力在分离式航天器相对轨道控制中的应用进行了系统研究,主要包括以下几个部分:
　　建立了电磁力远场模型和近场模型,通过数学仿真分析了适用于控制设计的电磁力远场模型误差,结果表明远场模型误差随线圈距离的增大而减小;以虚拟星为参考建立了电磁编队的相对轨道动力学模型,通过数学仿真表明电磁力对动力学模型精度影响甚微。
　　基于自由磁偶极子,建立了姿态一致假设下的双星电磁编队的电流解耦控制模型;针对不确定性匹配的电磁力误差模型,采用滑模控制算法实现了双星电磁编队的相对轨道跟踪控制;分析了该相对轨道控制律的奇异性问题,并提出了两种解决奇异性的自由磁偶极子策略——切换策略和平行策略。仿真结果表明两种自由磁偶极子策略下的滑模控制律都能实现双星电磁编队的相对轨道跟踪控制。
　　将多星电磁力的强耦合性控制难题分解为以电磁力为直接控制变量的解耦控制设计和磁偶极子分配两个子问题;将电磁力模型误差参数化,采用自适应控制律在线估计电磁力误差参数,得到所需电磁力,并依据李雅普诺夫稳定性理论分析了控制算法在无扰动下的稳定性和有扰动下的有界性,为避免参数漂移,基于投影法改进了自适应律;以能耗和解的连续性为优化指标,通过非线性优化方法实现了多星电磁编队的磁偶极子最优分配。仿真结果表明以电磁力为直接控制变量的自适应控制律能实现多星电磁力编队的相对轨道跟踪控制,非线性优化方法可得到平均、连续的磁偶极子分配结果。
　　针对采用电磁力的集群重构控制,分析了重构目标的限制条件;针对动态目标构型,采用人工势场法设计了重构控制律,并通过改进的势函数增加了重构末段的收敛速度;针对静态目标构型,基于人工势场法,采用改进的切换控制律解决了局部极小点问题。仿真结果表明基于人工势场法的重构控制律可实现电磁力的集群重构控制,末段加速收敛的改进势函数可明显缩短重构时间,并且切换控制律也可避免局部极小点问题。

目录

基于电磁力的分离式航天器相对轨道控制方法

RELATIVE ORBIT CONTROL OF FRACTIONATED SPACECRAFT BASED ON ELECTROMAGNETIC FORCE

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 动力学建模与稳定性理论

2.1 引言

2.2 基于电磁力的分离式航天器动力学建模

2.3稳定性理论

2.4 本章小结

第3章 基于自由磁偶极子策略的双星相对轨道跟踪控制方法

3.1 引言

3.2 双星系统的电流解耦控制模型

3.3 双星相对轨道跟踪控制设计

3.4 仿真结果及分析

3.5 本章小结

第4章 基于电磁力解耦策略的多星相对轨道跟踪控制方法

4.1 引言

4.2 多星相对轨道控制的电磁力解耦策略

4.3 多星相对轨道跟踪控制设计

4.4 磁偶极子分配方法

4.5 仿真结果及分析

4.6 本章小结

第5章 基于人工势场法的多星相对轨道重构控制方法

5.1 引言

5.2动态目标构型的重构控制

5.3静态目标构型的重构控制

5.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术成果

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哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢