多星编队飞行的分散式耦合控制技术研究

以多星编队飞行为研究对象,建立了多星编队飞行的分散式相对姿态动力学和运动学模型,结合卫星编队飞行相对位置的非线性动力学模型,利用Backstepping方法设计多星编队飞行的分散式耦合控制器。采用了一种选择性控制策略,能够保证多星编队飞行的控制效率和抗故障能力。数值仿真结果表明了所设计的分散式耦合控制器的有效性。     

航天器编队飞行动力学模型和精度分析

航天器编队飞行动力学是基于相对轨道动力学方程的研究。文章首先采用动力学和运动学两种方法,推导出相对轨道动力学精确模型。根据是否存在假设和不同假设条件,给出编队飞行四种动力学模型,然后比较这些模型的优缺点,最后以数学仿真结果,对各种动力学模型精度进行分析比较。     

基于GPS测量的编队飞行的主星轨道对星间基线确定的影响

针对编队飞行系统中的高精度星间基线确定问题,对编队主星轨道状态与星间基线进行了关联建模.基于GPS测量的相对导航模型解和测量基线与工作基线之间的坐标转换,建立了相应模型并分别给出了误差传播关系,讨论了主星状态对星间基线确定的影响.该影响的规律和大小与多方面因素有关,其中小卫星编队与GPS星座之间的观测几何特别是编队宽度是主导因素,在宽编队情形下,为得到高精度星间基线,对于主星轨道状态的精度要求较高.     

卫星编队飞行的探测目标指向动力学与控制方法研究

卫星编队飞行的相对轨道运动和姿态指向运动并不是彼此独立的,而是相互耦合的.利用几何学方法和编队卫星的相对位置与姿态指向的耦合关系推导了卫星编队飞行的姿态指向运动学和动力学方程.并运用指数趋近律滑模控制方法对系统进行耦合控制.仿真结果表明:耦合控制系统在不借助额外姿态测量信息的情况下可同时实现相对位置和姿态指向的精确控制.     

基于Lawden改进型方程的编队Unscented Kalman Filter滤波估计

通过改进卫星编队的Lawden方程得到非线性相对运动方程,称为Lawden改进型方程,使其更加近似于编队运行环境.通过该非线性方程,在编队相对导航研究中,以EKF滤波方法为参考分析,采用适合非线性系统的UKF(Unscented Kalman Filter)滤波方法对编队的状态进行滤波估计.通过仿真实验,结果表明采用UKF滤波方法的编队状态估计精度明显优于采用EKF滤波方 法得到的估计精度,其中相对距离估计精度可以提高70％左右,相对速率估计精度可以提高25％左右,在工程应用中具有一定的参考利用价值.     

基于终端滑模的集群航天器电磁编队有限时间控制

针对集群航天器电磁编队系统强非线性的动力学特性,提出了一种基于非奇异终端滑模的有限时间控制方法.首先,建立了电磁力模型,分析了远场偶极子模型的适用范围;其次,建立了电磁编队动力学方程;接着,针对非线性动力学方程,设计了有限时间收敛的非奇异终端滑模面和控制律,使控制方法对电磁力模型不确定性具有鲁棒性,同时证明了系统状态可...     

基于星敏感器和GPS伪距差分的相对状态确定

针对双星编队飞行中的相对导航问题,提出了一种基于星敏感器和GPS伪距差分的相对状态确定方法。首先给出了相对轨道和相对姿态动力学方程,选取相对姿态基准坐标系,然后分别建立了星敏感器和GPS伪距差分的观测方程,运用Unscented卡尔曼滤波方法(UKF)设计了双星编队相对状态确定的UKF滤波器。利用一个仿真实例说明了该方法的可行性和有效性。     

推力方向受限条件下的编队构型变结构控制

精密构型保持控制是编队飞行的关键技术,滑模变结构控制方法是实现近地轨道紧密编队鲁棒控制的有效方法.编队动力学系统存缺少径向控制输入情况下,仍是可控的.针对这一特性,进行了推力方向受限条件的编队构型变结构控制.提出了利用保性能控制原理的鲁棒的滑动面设计方法,实现了模型不确定不匹配系统的变结构控制,结合J2摄动力和编队状态的关系式,解决了缺少径向控制情况下编队构型控制系统模型不确定和干扰不匹配问题.仿真结果表明,所提方法可以实现无轨道径向推力编队构型保持的鲁棒控制.     

无阻力双星串行编队相对位置有限时间控制

研究无阻力卫星构成的双星串行编队相对位置的有限时间控制问题。首先,选取两颗卫星位置连线中点为参考坐标系原点,考虑J2摄动项,建立了双星相对位置的动力学模型。与传统的主从式卫星编队模型中假设主星为理想运动不同,本文的建模方法同时考虑了两颗卫星受到扰动的情况。而后,为使无阻力卫星编队相对位置快速达到期望状态,采用自适应参数更新律和加幂积分技术设计控制律,实现了闭环系统的实际有限时间稳定。最后,通过数值仿真校验了本文控制器的有效性和鲁棒性。     

基于气浮台的编队飞行地面试验建模与鲁棒控制器设计

为分析验证卫星编队飞行涉及的相对导航、制导与控制以及星间通信等问题,搭建了编队飞行的地面试验系统,采用了一块3m×4.5m的气浮平台和具有两个平动自由度和一个转动自由度的卫星仿真器分别来模拟低阻力的空间环境和编队飞行的卫星,相对导航采用了视觉相机和室内GPS两种方案,星间通信则通过蓝牙进行模拟。推导了描述仿真器间相对运动的包含参数不确定性的动力学模型,并基于此模型设计了带极点配置的鲁棒H∞控制算法,通过姿态同步和构型保持等仿真实验重点对编队飞行的相对导航、星间通信和相对状态控制进行分析验证,对实际的编队任务具有一定的参考和指导意义。