航天器编队保持控制与自主导航方法研究

摘要

航天器编队飞行是一种新的航天器空间运行模式，凭借其巨大的技术优势、广阔的应用前景，从诞生之初就倍受青睐，被称为代表未来航天发展趋势的技术。同时，航天器编队飞行技术本身面临着巨大的技术挑战，在动力学、控制、导航与应用方面有很多问题等待研究。本文以椭圆参考轨道编队飞行为研究背景，对航天器编队动力学问题、编队构型保持与星间自主导航方面的问题进行系统和深入的研究。具体工作如下：
　　首先，从理论上分析目前研究较为广泛的几种相对运动的描述，基于这些描述分析圆轨道与椭圆轨道上编队绕飞的特性。重点考虑了2J项摄动对构型的影响，基于地球扁率一阶摄动解，使用平根数建立相对摄动方程，利用该方程近似分析等半长轴绕飞编队长期相对摄动规律。然后，针对椭圆参考轨道的编队飞行系统，基于哈密尔顿-雅克比方程，推导基于生成函数来描述的编队飞行系统相对运动的线性状态转移矩阵，并给出一种近似计算生成函数半解析解的方法，数值仿真验证了模型的精度。
　　其次，针对编队飞行卫星队形保持控制，以对地等张角绕飞编队为背景设计相对轨道模型预测控制算法。模型预测控制算法是一种在线滚动优化的闭环控制算法，能够较好地控制存在状态约束、控制约束等各种约束控制问题，并且模型预测优化问题可以转换为在线求解二次规划问题，最后通过仿真验证其有效性。
　　最后，基于无线电相对测量方案，设计一种应用于卫星编队的自主相对轨道确定方法。利用星间距离信息与方位信息作为观测量，建立相对测量几何模型，设计推广卡尔曼滤波器实现环绕星相对轨道的自主确定。数值仿真说明该方法适合编队飞行相对导航定位，具有较好的定位精度。

目录

航天器编队保持控制与自主导航方法研究

Research on Formation Keeping and Autonomous Relative Navigation for Formation Spacecrafts

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1课题背景及研究意义

1.2国内外编队飞行技术发展现状

1.3相对运动研究现状

1.4队形保持控制研究现状

1.5星间相对导航技术发展

1.6本文主要研究内容

第2章编队飞行相对运动分析

2.1引言

2.2坐标系定义及坐标转换

2.3卫星经典轨道根数

2.4编队飞行相对轨道动力学分析

2.5编队飞行相对轨道运动学分析

2.6相对运动特性分析

2.7卫星编队飞行摄动分析

2.8本章小结

第3章基于Hamilton—Jacobi方程的编队飞行模型

3.1引言

3.2Hamilton系统

3.3正则变换与生成函数

3.4Hamilton—Jacobi方程

3.5编队飞行系统的状态转移矩阵

3.6模型误差分析

3.7本章小结

第4章基于模型预测控制的编队保持控制器设计

4.1引言

4.2模型预测控制基本理论

4.3模型预测控制系统设计

4.4椭圆轨道绕飞编队构型设计

4.5数值仿真与结果分析

4.6本章小结

第5章卫星编队自主导航方法设计

5.1引言

5.2编队相对导航

5.3相对测量几何模型

5.4扩展Kalman滤波理论

5.5相对导航状态方程的建立

5.6相对导航的扩展Kalman滤波器

5.7本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致谢