弱引力场小行星探测器的姿轨控制研究

摘要

深空探测技术作为国家重点发展的课题之一，本文在国内外众多研究的基础上，研究了不规则引力场中探测器动力下降、软着陆的轨迹和姿态控制。
　　首先，针对航天器在下降时的轨迹动力学方程以及着陆时的姿态动力学和运动学方程进行建模与分析。由于本文所研究的小天体存在着形状没有一定的规律，相比于其他天体其引力场不强等特点，因此，本文采用球谐级数法表述小天体的引力势能，但是由于建模不确定性以及太阳光压等干扰影响的存在，根据航天器的运动行为分析，在小天体轨道坐标系下建立了动力学方程。在姿态建模中，将弱引力场、不确定性等作为干扰处理，应用Euler角和罗德里格斯参数(Rodriguez)方法分别对航天器姿态运动学和动力学进行建模。
　　其次，对于探测器软着陆弱引力场不规则小行星的轨迹控制方面的研究，本文提出了基于模糊滑模的控制方法，并应用自适应策略实时地进行数据更新。根据三次多项式方法设计标称轨迹，考虑到探测器的轨道动力学模型的不确定性，引入自适应项并结合模糊积分滑模策略对探测器进行控制，同时采用鲁棒项，抵消了在这过程中产生的偏差。该方法在保证对标称轨迹跟踪的快速精确性的同时，增强了控制系统的鲁棒性，提高了探测器软着陆小行星轨迹控制的动态性能。最后利用仿真证明了控制律的可行性和有效性。
　　最后，为了实现对航天器姿态的控制，本文设计了自抗扰控制策略。文中采用跟踪微分器处理其过渡过程，获得微分指令;在此基础上研究扩张状态观测器，对探测器姿态的不确定项及内外扰动进行预估，实现闭环控制;采用非线性反馈控制策略，抑制扩张状态观测器的误差。并设计常用的PD控制器与ADRC相互对照，最后仿真验证自抗扰控制相对于PD控制的优越性。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景及研究目的和意义

1．1．1 课题来源

1．1．2 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 引力场及动力学模型的国内外研究现状

1．2．2 轨迹控制的国内外研究现状

1．2．3 姿态控制的国内外研究现状

1．3 本文主要章节安排

第二章 小行星探测器动力学建模

2．1 坐标系的建立

2．2 探测器轨道动力学建模

2．3 小行星引力场建模

2．4 探测器姿态动力学建模

2．4．1 姿态运动学方程

2．4．2 姿态动力学方程

2．5 本章小结

第三章 基于自适应模糊滑模的探测器轨迹控制

3．1 模糊滑模控制概述

3．2 控制器的设计及稳定性分析

3．2．1 标称轨迹的设计

3．2．2 模糊系统描述

3．2．3 模糊积分滑模控制器的设计

3．2．4 稳定性分析

3．3 仿真分析

3．4 本章小结

第四章 基于ADRC的探测器姿态控制

4．1 自抗扰控制方法研究

4．2 姿态控制算法设计

4．2．1 PD控制器的设计

4．2．2 TD安排过渡过程

4．2．3 扩张状态观测器ESO

4．2．4 非线性反馈控制器AFC

4．3 仿真分析

4．4 本章小结

第五章 全文总结

致谢

参考文献

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攻读硕士研究成果

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