卫星跟飞编队控制问题研究

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随着航天科学技术的发展,人类对空间资源的开发越来越深入。卫星跟飞编队控制技术是空间服务和空间对抗的关键性基础技术,对它的研究将为卫星编队发展提供重要的技术支持。本文以对空间非合作目标进行跟踪编队飞行服务应用为研究背景,开展了跟飞编队控制相关问题研究,主要内容如下:(1)跟飞编队构型设计:在给出本文研究的跟飞编队问题所涉及的基本概念和相对动力学方程的基础上,提出了任务约束下的跟飞构型设计方案,推导了满足任务约束的构型初始化约束条件,给出了典型构型参数,为跟飞编队构型设计奠定了基础。(2)轨道交会控制与优化:在对跟飞编队问题涉及的交会任务进行分析的基础上,研究了基于Lambert冲量交会方法的交会控制算法,提出了考虑观测的双冲量交会求解算法;针对经典粒子群算法计算效率低下的问题,提出了多邻域改进粒子群算法,通过经典算法验证,该算法效率远优于现有一些算法;随后,提出了基于粒子群算法的有限推力轨道转移控制优化方案,解决了轨道交会控制的求解与优化问题。(3)跟飞编队自主导航:针对跟飞编队的相对导航问题,设计了虚拟观测量及相应的测量矩阵,避免了求解雅可比矩阵的复杂计算;提出了模型误差在线估计算法,算法能够适应不同构型尺寸的编队导航需求;在此基础上,提出了基于自适应扩展卡尔曼滤波的相对导航算法,算法具有较快的收敛速度和较高的估计精度;为了提高稳态情况下的导航估计精度,进一步提出了基于超球面分布采样变换的无迹卡尔曼滤波(UKF)跟飞编队导航算法,算法估计精度明显优于扩展卡尔曼滤波。(4)跟飞编队控制:在给出跟飞控制问题基本假设和标称构型方案的基础上,进行了绝对轨道参数预报偏差影响分析,给出了推力脉冲控制脉宽调制解决方案;针对构型捕获与重构控制问题,提出了沿径向等速转移重构方案,解决了视线约束下的构型重构问题;提出了跟飞编队李亚普诺夫控制律,该控制律能够完成大偏差下的构型捕获与重构控制;为了提高稳态控制精度,提出了基于椭圆参考轨道的线性二次型调节器编队精确保持控制律,算法在轨道面内和法向方向进行独立控制,具有较高的构型保持精度。(5)编队安全防碰撞:在完成编队碰撞影响因素分析的基础上,提出了碰撞因素解决策略;提出了基于拟瞬时最大碰撞概率的碰撞预警策略和基于变尺度直接逼近算法的编队碰撞预警算法,该算法明显提高了碰撞预警计算效率。(6)编队分布式仿真系统:为了解决卫星编队分布式仿真系统的设计与开发问题,提出了分布式仿真软件三层设计开发模式,并以此给出了编队分布式仿真系统的总体设计方案;通过对卫星编队仿真数据管理任务的分析,提出了卫星编队仿真通用数据管理系统方案,该方案能够完成各种复杂仿真数据的管理任务,使得数据重用和管理更加便利。
摘要第12-14页
Abstract第14-15页
符号表第16-17页
第一章 绪论第17-33页
    1.1 卫星跟飞编队内涵及相关应用第17-22页
        1.1.1 卫星跟飞编队内涵第17-18页
        1.1.2 卫星跟飞编队相关应用第18-22页
    1.2 卫星编队控制关键技术的研究进展第22-29页
        1.2.1 卫星编队构型设计技术第23-24页
        1.2.2 卫星编队构型初始化技术第24-25页
        1.2.3 卫星编队相对导航技术第25-26页
        1.2.4 卫星编队控制技术第26-28页
        1.2.5 卫星编队安全防碰撞技术第28页
        1.2.6 卫星编队仿真技术第28-29页
    1.3 论文的主要工作第29-33页
        1.3.1 主要研究内容与研究步骤第29-31页
        1.3.2 论文组织结构第31-33页
第二章 跟飞编队动力学基础与构型设计第33-54页
    2.1 基本概念第33-37页
        2.1.1 本文研究的卫星跟飞问题定义与假设第33-34页
        2.1.2 坐标系定义第34-36页
        2.1.3 坐标转移矩阵第36-37页
    2.2 编队相对动力学方程第37-43页
        2.2.1 编队相对动力学方程第37-38页
        2.2.2 圆参考轨道编队动力学方程第38-39页
        2.2.3 椭圆参考轨道相对动力学方程第39-43页
    2.3 跟飞编队构型设计研究第43-53页
        2.3.1 目标星与跟踪星相对运动坐标系的关系第44-46页
        2.3.2 基于圆参考轨道的跟飞构型设计第46-47页
        2.3.3 基于椭圆参考轨道的跟飞构型设计第47-49页
        2.3.4 相对状态与轨道根数转换计算第49-53页
    2.4 本章小结第53-54页
第三章 轨道交会控制与优化研究第54-88页
    3.1 跟飞编队轨道交会任务分析第54-56页
    3.2 轨道交会控制研究第56-70页
        3.2.1 双冲量Lambert 交会算法第56-59页
        3.2.2 考虑观测的双冲量交会第59-63页
        3.2.3 多冲量轨道交会第63-64页
        3.2.4 有限推力轨道交会转移控制方案分析与建模第64-70页
    3.3 多邻域改进粒子群算法第70-80页
        3.3.1 基本粒子群算法原理第70-71页
        3.3.2 多邻域改进粒子群算法原理第71-75页
        3.3.3 经典测试函数测试试验第75-76页
        3.3.4 多目标优化问题解决方案及试验第76-80页
    3.4 基于MNI-PSO 的轨道交会优化求解算例第80-87页
        3.4.1 考虑观测的双冲量交会求解仿真算例第81-83页
        3.4.2 有限推力轨道交会转移控制方案求解第83-87页
    3.5 本章小结第87-88页
第四章 跟飞编队自主导航技术研究第88-115页
    4.1 跟飞编队自主导航方案及建模第89-93页
        4.1.1 自主导航问题分析第89-91页
        4.1.2 系统状态模型第91-92页
        4.1.3 系统测量模型第92-93页
    4.2 基于自适应EKF 的导航算法研究第93-103页
        4.2.1 非线性状态模型线性离散化第93-96页
        4.2.2 测量模型线性化第96-97页
        4.2.3 自适应EKF 滤波算法第97-99页
        4.2.4 仿真算例第99-103页
    4.3 基于UKF 算法的导航算法研究第103-114页
        4.3.1 Unscented 变换及UKF 算法第103-106页
        4.3.2 基于SSUKF 滤波的导航算法第106-108页
        4.3.3 仿真算例第108-114页
    4.4 本章小结第114-115页
第五章 跟飞编队控制算法研究第115-142页
    5.1 跟飞编队控制问题分析第116-120页
        5.1.1 跟飞编队控制问题假设第116-118页
        5.1.2 绝对轨道参数预报偏差影响分析第118-119页
        5.1.3 控制输出脉宽调制第119-120页
    5.2 跟飞编队构型的Lyapunov 控制研究第120-133页
        5.2.1 构型捕获与重构方案第120-121页
        5.2.2 跟飞编队Lyapunov 控制律第121-124页
        5.2.3 仿真算例第124-133页
    5.3 基于线性二次型调节器的编队精确保持控制研究第133-141页
        5.3.1 系统控制模型第133-134页
        5.3.2 线性二次型调节器最优控制律第134-135页
        5.3.3 仿真算例第135-141页
    5.4 本章小结第141-142页
第六章 编队安全防碰撞问题研究第142-156页
    6.1 编队碰撞因素分析第142-147页
        6.1.1 编队安全的相关定义第143-144页
        6.1.2 碰撞影响因素分析第144-147页
        6.1.3 碰撞影响因素解决策略第147页
    6.2 编队碰撞预警算法研究第147-155页
        6.2.1 碰撞预警策略第148-150页
        6.2.2 变尺度直接逼近算法第150-152页
        6.2.3 仿真算例第152-155页
    6.3 本章小结第155-156页
第七章 卫星编队分布式仿真系统研究第156-171页
    7.1 分布式仿真软件三层设计模式第156-160页
        7.1.1 分布式仿真软件三层模式第157-159页
        7.1.2 三层模式设计开发原则第159-160页
    7.2 卫星编队分布式仿真系统第160-165页
        7.2.1 系统总体设计方案第160-162页
        7.2.2 分系统软件功能模块设计实例第162-165页
    7.3 卫星编队仿真数据管理系统第165-170页
        7.3.1 卫星编队仿真数据管理任务分析第165-166页
        7.3.2 仿真数据管理的基本数据对象和管理框架第166-168页
        7.3.3 卫星编队仿真数据管理系统简介第168-169页
        7.3.4 卫星编队半实物仿真数据管理实例第169-170页
    7.4 本章小结第170-171页
第八章 总结与展望第171-178页
    8.1 主要研究成果第171-173页
    8.2 主要创新点与贡献第173-176页
    8.3 进一步工作展望第176-178页
致谢第178-180页
参考文献第180-194页
作者在学期间取得的学术成果第194-195页
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