月球轨道航天器自主交会控制方法研究

摘要

月球轨道航天器自主交会控制技术,是自动取样返回、载人登月返回、地月往返运输、月球基地装配与长期运营等月球探测任务的关键技术,也是进一步执行其它行星探测、星际航行返回等深空探测任务的经验积累。而由于月球轨道航天器所处的深空环境复杂、地面支持难度大、运载能力限制等综合因素,对航天器控制的自主性、精确度、快速性、能耗和抗干扰力等性能指标都有较为苛刻的要求。因此,本学位论文研究了自主交会的相对动力学建模;自主交会寻的段、接近段和平移靠拢段的控制方法;可视化自主交会动态仿真技术。
　　首先,建立了航天器相对运动轨道动力学模型,对近圆轨道相对运动动力学模型C-W方程求解析解,分析了无控条件下的航天器相对运动自由运动特性。
　　针对寻的段,首先研究了基于C-W方程的多脉冲制导方法,并给出了时间固定燃料最优的控制方法;然后研究了基于PD控制理论的反馈线性化控制方法;最后研究了基于H∞次优控制理论的鲁棒控制方法。
　　针对接近段,首先研究了沿V-bar逼近目标的多脉冲制导方法;然后,针对距离两航天器距离较近、控制精度要求高的特点,引入了交会对接动坐标系下的虚拟运动轨迹,并研究了PD直线跟踪控制以及H∞鲁棒直线跟踪控制方法。
　　针对平移靠拢段,首先研究了相平面控制方法,给出了类似于传统轨控方法的径向控制律和实现航天器逐渐逼近目标的迹向控制律;然后,为了软交会的对接初始条件,严格设计了虚拟轨迹的逼近路线和速度,并研究了PD软交会控制方法和H∞鲁棒软交会控制方法。
　　通过数字仿真验证和比较,基于H∞控制理论的分段组合控制算法具有控制精度高、能耗低、鲁棒性强、快速等优点。最后,借助matlab、STK等仿真软件构建了自主交会动态仿真平台,并对该性能指标最优的H∞鲁棒控制方法进行了动态仿真演示实验。

目录

月球轨道航天器自主交会控制方法研究

RESEARCH ON CONTROL METHODS OF LUNAR ORBIT SPACECRAFT AUTONOMOUS RENDEZVOUS

摘 要

Abstract

目 录

第 1 章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 交会对接技术发展概况

1.3 月球轨道交会对接特点分析

1.4 本文的主要研究内容

第 2 章 自主交会相对动力学模型建立

2.1 基本定义

2.2 航天器相对运动动力学模型

2.3 本章小结

第 3 章 寻的段自主交会控制方法研究

3.1 引言

3.2 C-W 最优多脉冲制导

3.3 PD 反馈线性化控制方法

3.4 H∞次优鲁棒控制方法

3.5 控制方法比较

3.6 本章小结

第 4 章 接近段自主交会控制方法研究

4.1 引言

4.2 V-bar 多脉冲制导

4.3PD 直线跟踪控制方法

4.4 H∞鲁棒直线跟踪控制方法

4.5 控制方法比较

4.6 本章小结

第 5 章 平移靠拢段自主交会控制方法研究

5.1 引言

5.2 相平面控制方法

5.3 PD 软交会控制方法

5.4H∞ 软交会鲁棒控制方法

5.5 控制方法比较

5.6 可视化自主交会动态仿真技术研究

5.7 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢