J2摄动下的卫星编队队形重构与队形保持方法研究

摘要

随着空间技术的迅猛发展，小卫星编队凭借着技术先进和应用前景广阔的优势，快速发展成为一种全新的空间飞行器在轨运行模式。同样的，卫星编队对当前的空间技术提出了更高的要求，在动力学建模、队形重构、队形保持等方面还有许多丞待解决的难题。 本文针对J2摄动下低地球轨道卫星编队的动力学建模、编队重构和队形保持等方面进行了深入的研究和探讨。课题的研究内容主要有以下几个方面: 首先，在参考轨道坐标系下，多星编队问题被分解成单颗参考星和一颗环绕星的二体运动，从动力学角度对二体运动进行分析，建立了一般情况下较为精确的非线性动力学方程;将J2摄动纳入外界扰动项，代入非线性动力学方程进行推导以及线性化，得到较为精确的线性化的相对动力学模型，为后续卫星编队队形重构和队形保持方面的研究打下理论和模型基础。依据对卫星编队二体运动的动力学分析，设计了卫星编队的空间队形。分析卫星编队在空间圆参考轨道上的相对运动特性，介绍了几种常见的编队飞行方式，对每种编队飞行构型的特点以及构型条件进行了详细的分析，并绘制了对应的编队飞行图形，为后续编队重构和编队保持提供了队形基础。 其次，在前文中建立的J2摄动下线性化的卫星编队相对运动动力学方程的基础下，对卫星编队队形重构问题进行描述。通过利用极小值理论，引入哈密顿函数和协态变量，将燃料最优问题转化为两点边值问题。利用多重打靶法对两点边值问题进行求解，为获得较为准确的初值，结合改进的鸽群进化算法获得协态变量初值。利用多重打靶法结合改进鸽群进化算法，对J2摄动下的卫星编队队形重构问题转化成的两点边值问题。同时，将粒子群算法应用于编队重构中，并与联合算法得到的控制策略进行了比较，验证了联合算法的有效性和优越性。 之后，对重构后的卫星编队进行队形保持，基于LQR理论和滑模控制理论设计了两种控制器对队形进行控制保持。不同之处在于LQR控制器只能将编队中的卫星保持在空间构型中的固定相对位置，即静态保持;而滑模控制器不仅仅能静态保持，还能使卫星在构型中保持在变化的理想位置，即动态保持。通过数值仿真对两种编队队形控制策略进行了比较验证，分析了两种控制方法的优缺点以及各自适用情况。 最后，基于VC++设计搭建了仿真系统软件进行场景仿真。分别设计场景对卫星的编队重构和保持进行仿真，对本文设计的联合算法和滑模控制在动态队形保持方面的有效性进行验证。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1论文研究的背景、目的和意义

1．2卫星编队数学模型研究现状

1．2．1国外卫星编队数学模型研究现状

1．2．2国内卫星编队数学模型研究现状

1．3卫星编队队形重构研究现状

1．3．1国外卫星编队队形重构研究现状

1．3．2国内卫星编队队形重构研究现状

1．4卫星编队队形保持研究现状

1．4．1国外卫星编队队形保持研究现状

1．4．2国内卫星编队队形保持研究现状

1．5本文主要研究内容及章节安排

第2章卫星编队建模及队形设计

2．1．1基本概念和前提

2．1．2坐标系的定义

2．2卫星编队相对动力学方程

2．2．1一般情况下的精确相对运动动力学方程

2．2．2J2摄动下的编队卫星相对动力学方程

2．3卫星编队队形设计分析

2．3．1圆或近圆参考轨道相对运动特性分析

2．3．2常用卫星编队队形设计

2．4本章小结

第3章编队飞行队形重构方法研究

3．1编队队形重构模型的建立及数值求解

3．1．1队形重构建模

3．1．2队形重构模型的数值求解

3．2联合算法在队形重构中的应用

3．2．1多重打靶法

3．2．2改进鸽群进化算法

3．3粒子群算法在队形重构中的应用

3．4仿真验证与分析

3．4．1联合算法实现队形重构的仿真分析

3．4．2粒子群算法实现队形重构的仿真实现

3．4．3联合算法与粒子群算法队形重构对比

3．5本章小结

第4章编队飞行队形保持方法研究

4．1．1 LQR控制的基本原理

4．1．2基于LQR控制的队形静态保持器设计

4．2基于滑模控制的队形保持控制

4．2．1滑模控制的基本原理

4．2．2基于滑模控制的队形静态保持器设计

4．2．3基于滑模控制的队形动态保持器设计

4．3仿真验证与分析

4．3．1基于LQR控制的队形静态保持器仿真

4．3．2基于滑模控制的队形静态保持器仿真

4．3．3基于滑模控制的队形动态保持器仿真

4．4本章小结

第5章仿真软件实现

5．1．1开发及运行环境

5．1．2系统体系结构

5．1．3系统数据流

5．1．4软件界面设计

5．2系统运行测试

5．2．1队形重构算法测试

5．2．1队形保持算法测试

5．3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢