文档介绍：硕士学位论文
基于电磁力的分离式航天器相对轨道控制
方法
RELATIVE ORBIT CONTROL OF
FRACTIONATED SPACECRAFT BASED ON
IC FORCE
侯振东
哈尔滨工业大学
2012 年 7 月
国内图书分类号: 学校代码:10213
国际图书分类号: 密级:公开
工学硕士学位论文
基于电磁力的分离式航天器相对轨道控制
方法
硕士研究生: 侯振东
导师: 张育林教授
申请学位: 工学硕士
学科: 飞行器设计
所在单位: 卫星技术研究所
答辩日期: 2012 年 7 月
授予学位单位: 哈尔滨工业大学
Classified Index:
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Dissertation for the Master Degree in Engineering
RELATIVE ORBIT CONTROL OF
FRACTIONATED SPACECRAFT BASED ON
IC FORCE
Candidate: Hou Zhendong
Supervisor: Yulin
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Speciality: Spacecraft Design
Affiliation: Research Center of Satellite Tech.
Date of Defence: July, 2012
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
采用电磁力控制分离式航天器各模块卫星的相对位置,相对于传统的推力器
控制具有无燃料消耗和无羽流污染的显著优势,但同时也带来了强耦合性和非线
性的巨大挑战。本文针对电磁力在分离式航天器相对轨道控制中的应用进行了系
统研究,主要包括以下几个部分:
建立了电磁力远场模型和近场模型,通过数学仿真分析了适用于控制设计的
电磁力远场模型误差,结果表明远场模型误差随线圈距离的增大而减小;以虚拟
星为参考建立了电磁编队的相对轨道动力学模型,通过数学仿真表明电磁力对动
力学模型精度影响甚微。
基于自由磁偶极子,建立了姿态一致假设下的双星电磁编队的电流解耦控制
模型;针对不确定性匹配的电磁力误差模型,采用滑模控制算法实现了双星电磁
编队的相对轨道跟踪控制;分析了该相对轨道控制律的奇异性问题,并提出了两
种解决奇异性的自由磁偶极子策略——切换策略和平行策略。仿真结果表明两种
自由磁偶极子策略下的滑模控制律都能实现双星电磁编队的相对轨道跟踪控制。
将多星电磁力的强耦合性控制难题分解为以电磁力为直接控制变量的解耦控
制设计和磁偶极子分配两个子问题;将电磁力模型误差参数化,采用自适应控制
律在线估计电磁力误差参数,得到所需电磁力,并依据李雅普诺夫稳定性理论分
析了控制算法在无扰动下的稳定性和有扰动下的有界性,为避免参数漂移,基于
投影法改进了自适应律;以能耗和解的连续性为优化指标,通过非线性优化方法
实现了多星电磁编队的磁偶极子最优分配。仿真结果表明以电磁力为直接控制变
量的自适应控制律能实现多星电磁力编队的相对轨道跟踪控制,非线性优化方法
可得到平均、连续的磁偶极子分配结果。
针对采用电磁力的集群重构控制,分析了重构目标的限制条件;针对动态目
标构型,采用人工势场法设计了重构控制律,并通过改进的势函数增加了重构末
段的收敛速度;针对静态目标构型,基于人工势场法,采用改进的切换控制律解
决了局部极小点问题。仿真结果表明基于人工势场法的重构控制律可实现电磁力
的集群重构控制,末段加速收敛的改进势函数可明显缩短重构时间,并且切换控
制律也可避免局部极小点问题。
关键词:分离式航天器;电磁力;滑模控制;自适应控制;人工势场法
I
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Abstract
In contrast with traditional thrusters, applying ic force to control the
relative po