發(fā)布時間：2020-08-18 18:47

【摘要】：編隊衛(wèi)星通過星間協(xié)同實現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取、處理、分析,可以完成許多復(fù)雜的空間任務(wù),在空間科學(xué)、空間應(yīng)用、空間安全等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前主要朝著微納衛(wèi)星低成本大規(guī)模編隊飛行和深空軌道高精度編隊兩個方向發(fā)展。衛(wèi)星編隊飛行動力學(xué)與控制的基礎(chǔ)是設(shè)計良好的幾何構(gòu)型,核心是要編隊衛(wèi)星的自主控制。本文從編隊構(gòu)型設(shè)計、編隊飛行解析控制、編隊重構(gòu)的軌跡優(yōu)化和編隊飛行協(xié)同控制四個方面進(jìn)行了研究。主要內(nèi)容包括以下幾個方面:首先,在編隊飛行動力學(xué)與構(gòu)型設(shè)計方面:針對近地軌道的編隊飛行任務(wù),采用無奇異軌道根數(shù)推導(dǎo)了J2攝動下構(gòu)型參數(shù)變化的解析表達(dá)式,介紹了J2攝動下構(gòu)型的穩(wěn)定條件及構(gòu)型設(shè)計方法,為構(gòu)型保持控制奠定了理論基礎(chǔ);針對深空大尺度編隊飛行構(gòu)型設(shè)計,基于軌道要素差描述的相對運動方程,推導(dǎo)了考慮其他天體攝動和多任務(wù)約束的構(gòu)型優(yōu)化模型,將其轉(zhuǎn)化為構(gòu)型參數(shù)空間內(nèi)尋找函數(shù)最小值的優(yōu)化問題,并結(jié)合差分進(jìn)化算法和序列二次規(guī)劃算法得到了滿足空間引力波探測任務(wù)約束的等邊三角形構(gòu)型。其次,在編隊相對運動軌跡優(yōu)化方面:針對J2攝動下的多脈沖編隊軌跡優(yōu)化,推導(dǎo)了考慮J2攝動和軌道面內(nèi)外耦合的無奇異偏差動力學(xué)方程,采用遺傳算法和序列二次規(guī)劃算法求解了該混合整數(shù)優(yōu)化問題,并和基于非線性脈沖的軌跡優(yōu)化方法及J2攝動下的主矢量理論進(jìn)行對比,驗證了結(jié)果的可行性;針對第三體攝動模型下的電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移任務(wù),基于龐特里亞金極大值原理推導(dǎo)了最優(yōu)控制的必要性條件和解析梯度矩陣,通過同倫法求解了該問題;同時,針對空間引力波探測的軌道優(yōu)化任務(wù)中,以最省能量為原則建立了考慮燃料均衡和三體攝動,同時優(yōu)化逃逸參數(shù)的轉(zhuǎn)移軌道優(yōu)化模型。然后,在編隊解析構(gòu)型控制方面:針對近地軌道松散的構(gòu)型維持任務(wù),采用平均相對速度表示編隊構(gòu)型的漂移率,推導(dǎo)了平均相對速度和脈沖速度增量之間的解析表達(dá)式,提出了一種只需要星間測距信息的解析控制策略,具有計算量小、適合星載計算的優(yōu)點;針對快速碰撞預(yù)警與規(guī)避任務(wù),提出了基于牛頓迭代的碰撞預(yù)警算法和碰撞規(guī)避算法,仿真表明了算法的有效性;此外,闡述了編隊衛(wèi)星法向機(jī)動引起切向漂移的機(jī)理,并提出了一種解析的切向補償方法,并以某磁層探測任務(wù)為例進(jìn)行了仿真驗證。最后,在編隊協(xié)同控制方面:針對多星近地軌道編隊飛行,基于虛擬結(jié)構(gòu)和一致性理論的設(shè)計了編隊飛行構(gòu)型維持控制的分布式系統(tǒng)架構(gòu),通過構(gòu)型設(shè)計原理推導(dǎo)了協(xié)同變量實例化方法,并結(jié)合線性二次型控制和偽速率控制實現(xiàn)了控制序列的“開關(guān)”控制,仿真表明,對于雙向環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)通信拓?fù)?一致性協(xié)議可以保證編隊得到持續(xù)的協(xié)作信息從而實現(xiàn)漸近達(dá)到一致。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V448.2
【圖文】：

圖 1.2 GRACE 重力場測量 月 15 日，瑞典空間研究中心牽頭的 PRISMA 任務(wù)自主編隊飛行與近距離交會的相關(guān)技術(shù)，兩顆衛(wèi)星 140kg，整體搭載被發(fā)射到 725 km 高的太陽同步采用基于 AFF 的射頻技術(shù)，測量范圍可達(dá)到 15km角度測量精度為 1"（Persson 等，2006）。

PRISMA任務(wù)

圖 1.4 TanDEM 項目11 月，歐空局的 Swarm 衛(wèi)星在俄羅斯發(fā)射成功，3 顆于高精度地測量地球磁場變化，其中 A/B 兩顆衛(wèi)星在的近圓軌道上形成雙星編隊，相對距離約為 150km(F6 月，加拿大多倫多大學(xué)將質(zhì)量為 7kg 的兩顆納衛(wèi)星，98.2°傾角的太陽同步圓軌道，其主要任務(wù)包括驗保持技術(shù)及亞米級相對定位精度的差分 GPS 等技術(shù)00m 和 1000m 的串行編隊，半徑 50m 和 100m 的水.，2005）。

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 林來興;張小琳;;納型衛(wèi)星編隊飛行技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J];航天器工程;2017年05期

2 張良;;小衛(wèi)星編隊飛行的自主控制與規(guī)劃調(diào)度[J];信息與電腦(理論版);2010年05期

3 郭雷;齊亞平;;小衛(wèi)星編隊飛行應(yīng)用研究[J];西安航空技術(shù)高等�？茖W(xué)校學(xué)報;2008年01期

4 徐R

本文編號：2796591