小卫星编队飞行相对导航与队形控制技术研究

摘要

本文以卫星编队技术为背景，针对微小卫星编队飞行星间相对导航与队形控制两个关键问题开展深入研究。主要研究内容涉及卫星编队动力学模型及典型轨道、相对轨道测量方案、队形调整控制算法与避免碰撞方法等，具体工作如下：
　　首先，建立卫星编队飞行相对运动动力学模型。基于二体假设，建立星间相对运动动力学模型，对该模型进行线性化处理，从而简化运动方程。推导Hill方程解析解，得到满足相对绕飞轨迹闭合的约束条件。根据Hill方程解析解，设计典型轨道构形：空间圆形编队、地平面投影圆形编队及同轨迹串行编队。
　　其次，针对编队飞行卫星间相对导航的需求，提出一种以激光测距仪为测量工具的观测方案。采用扩展卡尔曼滤波算法与Unscented卡尔曼滤波算法对卫星间相对位置及速度进行估计，并采用观测矩阵定量分析法对所设计的观测方案的可观测性进行分析。
　　最后，对卫星编队飞行队形调整控制技术开展研究，分别采用比例微分控制算法和基于势函数的控制方法，并应用Lyapunov稳定性理论对控制算法稳定性进行分析。基于以上控制方法设计一种具有防碰撞功能的队形调整控制方法，对该过程星间碰撞度进行限制，实现避免碰撞的目的。
　　本论文相关的数学仿真检验了相对导航观测方案的可行性、EKF与UKF算法的收敛性，并从收敛时间、收敛精度及计算量等方面进行比较，得出各算法的优缺点；验证了设计控制算法可实现任务要求，并通过比较控制算法的收敛时间、控制精度、能量消耗等性能指标得出比例微分控制算法整体性能优于势函数控制方法的结论。本文所设计的卫星编队相对导航观测方案及队形调整控制算法可为未来我国卫星编队相关领域理论研究与实际应用提供参考。

目录

论文封面

小卫星编队飞行相对导航与队形控制技术研究

STUDY ON RELATIVE NAVIGATION AND FORMATION FLYING CONTROL METHOD FOR MICRO-SATELLITES

摘要

Abstract

绪论

1.1 课题背景

1.1.1 课题来源

1.1.2 课题研究目的与意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.2.1 卫星编队的国内外研究概况

1.2.2 编队飞行星间相对导航研究现状

1.2.3 编队飞行队形保持和控制研究现状

1.3 论文主要研究内容

第2章 卫星编队相对轨道数学模型建立

2.1 引言

2.2 坐标系的定义

2.2.1 地心惯性坐标系OIXIYIZI

2.2.2 主卫星轨道坐标系oxyz

2.2.3 从卫星轨道坐标系osxsyszs

2.3 主从卫星相对运动轨道动力学模型的建立

2.4 动力学模型的简化

2.5 Hill方程的求解及编队队形设计

2.6 数学仿真结果

2.7 本章小结

第3章 卫星编队星间相对导航技术研究

3.1 引言

3.2 卫星编队相对导航方法的介绍

3.2.1 微波雷达跟踪与测量技术

3.2.2 红外跟踪与测量技术

3.2.3 激光雷达测量技术

3.2.4 可见光相机测量技术

3.2.5 相对状态滤波估计算法介绍

3.3 卫星编队相对导航方案设计

3.3.1 卫星编队飞行星间相对位置几何关系

3.3.2 系统的状态方程建立

3.3.3 测量原理及系统的观测方程建立

3.4 系统状态估计卡尔曼滤波器设计

3.4.1 卡尔曼滤波器概述

3.4.2 系统状态估计扩展卡尔曼滤波器设计

3.4.3 系统状态估计Unscented卡尔曼滤波器设计

3.5 系统状态估计可观测性分析

3.5.1 非线性系统的可观测性分析

3.5.2 系统的可观测度分析

3.6 数学仿真结果及分析

3.7 本章小结

第4章 卫星编队队形调整控制方法研究

4.1 前言

4.2 卫星编队队形调整的比例微分控制方法

4.2.1 复杂的卫星编队队形设计

4.2.2 队形调整的比例微分控制设计

4.3 基于势函数的卫星编队队形调整控制方法

4.4 卫星编队队形调整的防碰撞方法研究

4.4.1 卫星间的碰撞度定义

4.4.2 队形调整过程的防碰撞方法

4.5 数学仿真结果与分析

4.6 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

个人简历