混合小推力航天器轨道保持高性能滑模控制

针对采用太阳帆、太阳电混合小推力推进的航天器，研究了其在日心悬浮轨道的保持控制问题。为解决已有控制方法中未综合考虑内部未建模动态和外部未知扰动的问题，以及进一步提高系统控制性能，设计了一种高性能滑模控制策略。首先，考虑模型不确定性，建立了混合小推力航天器在日心悬浮轨道柱面坐标系的动力学方程；其次，基于改进型条件积分滑模面和径向基（RBF）神经网络设计了控制律，结合自适应方法在线估计不确定参数；接着，将求取的虚拟控制量在推进剂最优条件下转换成实际控制量，即太阳帆姿态角和太阳电推进力；最后，数值仿真验证了上述设计方法提高了系统鲁棒性，减小了轨道位置超调，并且混合推进相比于单一太阳帆推进，在更短收敛时间内控制精度提高了4个数量级，相比于单一太阳电推进，一年可以节省约89.6%的推进剂。     

太阳帆航天器动力学建模与求解

 太阳帆航天器动力学建模与求解是姿态控制与结构振动抑制的基础,具有重要的理论与工程意义。针对带有控制杆和控制叶片的太阳帆航天器,进行结构的合理简化。应用矢量力学基本原理,推导出考虑弹性振动的太阳帆航天器姿态动力学方程,再对其进行简化,分别得到基于控制叶片和控制杆的两类太阳帆航天器的姿态动力学方程,联立太阳帆支撑杆振动方程,结合非约束模态的定义对运行于超地球同步转移轨道的太阳帆航天器动力学方程进行了求解及分析,结果表明所建立的太阳帆动力学模型可准确地描述柔性太阳帆航天器的动力学特性。     

混合小推力航天器日心悬浮轨道保持控制

针对太阳帆、太阳电混合推进航天器日心悬浮轨道保持控制问题进行了研究。为解决基于局部线性化模型设计轨道保持控制器时存在的控制精度不高、模型精确性过度依赖等问题,应用自抗扰控制(ADRC)技术设计了轨道保持控制器。首先,采用圆形限制性三体问题(CRTBP)模型推导了混合小推力航天器日心悬浮轨道动力学方程;然后,考虑系统模型不确定性和外部扰动,提出了一种基于扰动估计和补偿的轨道保持控制方法;最后,数值仿真表明存在系统模型不确定性、初始入轨误差及地球轨道偏心率扰动等因素的情况下,所设计的控制器仅需很小的速度增量即可实现高精度的日心悬浮轨道保持控制。     

RCD太阳帆航天器人工平动点轨道保持与控制

针对航天器平动点轨道保持问题,研究了含有反射率控制设备(RCD)的太阳帆航天器在日地系共线人工平动点处的轨道保持与控制,同时降低因频繁改变航天器姿态所带来的振动问题。首先,基于太阳帆圆型限制性三体问题,计算了RCD型太阳帆人工平动点位置,给出了太阳帆共线人工平动点三阶Halo轨道,并将其作为参考轨道;然后,将太阳帆动力学方程线性化,采用跟踪控制输出的方法对线性模型进行控制;最后,通过合理选择控制变量矩阵,将控制律代入非线性模型中进行轨道保持控制。仿真结果表明,通过控制RCD太阳帆反射率设备参数及姿态角,实现了长时间的Halo轨道保持,同时大幅减小了太阳帆姿态角的改变,从而减小了帆面振动,为太阳帆航天器长期轨道任务的实现提供了良好的理论依据。     

地球同步轨道薄膜太阳帆的姿态轨道控制方法

薄膜太阳帆（FSS）是集推进、发电和姿轨控功能于一体化的超大型挠性太阳帆式航天器，通过调整薄膜反射率产生可变推力和力矩，实现其姿态和轨道运动控制。结合薄膜太阳帆在地球同步轨道运行时的受力特性进行了轨道漂移分析。通过建立薄膜太阳帆动力学模型及受力模型，提出了调整帆面角度轨道修正方法以及基于薄膜光压力矩角动量卸载的长期在轨对日定向面内双轴动量轮稳定控制方法。通过系统仿真验证表明所提的轨道修正和对日定向控制方法是合理有效的，可使薄膜太阳帆长期在定点位置维持对日定向。     

三体系统中引力拖车的偏置非开普勒轨道研究

为了研究太阳-小行星-引力拖车三体系统中引力拖车的轨道运动问题,采用柱坐标系下的Hill方程描述了三体系统中引力拖车的运动情况,应用平均化方法消除周期项的影响,得到平均偏置非开普勒轨道的表达式,并研究了轨道稳定性与引力拖车最大有效拉力等问题.研究表明:三体系统中,在小行星飞行方向（或反方向）上存在偏置非开普勒轨道;与二...     

太阳帆航天器被动姿态控制研究

针对由有效载荷、太阳帆和4个控制叶片所组成的太阳帆航天器系统,从物理模型出发,利用欧拉方程建立了姿态动力学模型,并通过数值仿真对太阳帆航天器基于控制叶片的对日定向性能进行了研究。研究结果表明,在行星际飞行中太阳帆航天器可以通过使控制叶片保持偏置来保持姿态稳定。     

太阳帆航天器在绕地轨道中的热诱发振动

太阳帆航天器在绕地轨道中将会周期性地进出地球阴影，经历热环境的剧烈变化，在热辐射冲击作用下，太阳帆这种大柔性空间结构的热致响应值得研究。以方形有桅杆式太阳帆为研究对象，考虑热辐射等非线性因素，建立了太阳帆的热-结构耦合动力学模型，分析了太阳帆桅杆-薄膜结构热诱发振动的特点和影响因素。分析结果表明：太阳帆由地球阴影区进入光照区将会发生明显的热诱发振动；随着热流入射角的增大，太阳帆桅杆截面的摄动温度减小，热诱发振动减弱，频率不变；太阳帆桅杆刚度的增大有利于抑制结构热诱发振动的发生；帆膜预应力将会影响太阳帆的热诱发振动，随着桅杆轴力增大，热诱发振动的振幅增大，频率减小，当轴力增大至一定程度，太阳帆的热诱发振动将会发散。     

空间太阳能电站重力姿态-轨道-结构耦合特性

基于结构小变形假设,将太阳帆塔式空间太阳能电站(SSPS)简化为两端自由的Euler-Bernoulli梁模型,并建立在重力作用下,假设只考虑轨道平面内电站的姿态和轨道运动与结构振动的耦合动力学方程。其受到的重力、重力梯度力矩和广义重力将以其结构尺寸与运行轨道半径的比值为变量进行泰勒展开,并保留至四阶项。通过对其动力学方程的分析发现,当假设只考虑轨道平面内的姿态运动和轨道平面内结构的横向振动时,结构振动对姿态和轨道运动的影响只存在于三阶及其以上的重力和重力梯度力矩中。此外,在重力激励下当电站的结构角频率小于某一特定值时,其结构振动将会出现屈曲不稳定的现象。保证电站结构振动稳定的条件也将在文中给出。为了分析重力激励对结构振动的影响,提出了"等效角频率"的概念。数值仿真表明,当电站结构角频率较低时,重力激励将对电站的振动产生很大影响。而且重力引起的姿态-轨道-结构的耦合作用也将对空间太阳能电站的轨道运动产生较大影响,轨道半径误差能达千米量级。     

太阳同步轨道卫星初轨捕获策略研究

从分析轨道控制动力学方程出发,结合工程应用实际约束,针对具有回归、冻结等特性的太阳同步轨道,设计其初轨捕获策略。该策略将初轨捕获任务规划为4个阶段,前3个阶段进行发动机推力效率标校、大控制量的轨道面内修正和轨道面内的精调,完成轨道面内捕获;最后一个阶段完成轨道倾角捕获。最后对某太阳同步轨道卫星的初轨捕获策略进行了详细设计并通过仿真计算验证该策略的合理有效性。