基于视线测量的卫星编队机动控制方法

《基于视线测量的卫星编队机动控制方法》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、2012年4月第2期中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology基于视线测量的卫星编队机动控制方法张薇1冯孝辉2邓忠民1(1北京航空航天大学宇航学院，北京100191)(2航天东方红卫星有限公司，北京100094)摘要采用视线测量的方法，建立一种编队卫星队形保持与机动的协同控制策略。编队中每一个卫星跟踪自己轨道前方邻近卫星，产生一个视线测量矢量，编队的第一个卫星根据高级控制层指令追踪期望轨道，产生链式编队，将编队卫星之间的视线距离作为反馈控制量来实现队形控制。通过推导J。相

2、对摄动力的表达式，控制模型考虑了模型不确定性和摄动影响，采用滑模控制器，实现了基于视线测量的编队卫星链式跟踪协同控制。仿真算例结果表明，该方法在实现编队卫星队形保持与整体机动控制上具有可行性。关键词卫星编队视线测量协同控制滑模控制微小卫星DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2012．02．0121引言多卫星协同为空间交会、对接、捕获、组装及多方位观测等在轨服务提供更强有力的技术支持，扩展了航天器的功能和技术性能，小卫星编队的应用领域和应用模式不断拓展，在深空探测、科学试验、对地观测和空间

3、控制等领域都将发挥巨大的作用。国内外已经在小卫星编队方面取得了大量的研究成果。早期的研究多针对简化的主从结构研究编队的保持问题，主从结构队形保持，主星不受控制，从星相对主星进行控制u‘3J。主星由于摄动等在空间发生漂移无法体现，可能造成在队形一定情况下，编队已经偏离任务区域[4]。此外，主星失效势必造成整个编队飞行任务的失败，因此目前的研究重点多集中于无主星的编队控制问题。本文针对空间近距离卫星编队在队形保持基础上的整体转移机动，推导了J。相对摄动力的表达式，建立了一种基于视线测量的无主星链式跟踪协同控制策略

4、，控制方法利用滑模变结构算法实现，控制模型考虑了模型不确定和噪声干扰。建立r整体编队机动的优化模型。仿真算例表明，视线测量协同控制策略能够实现卫星编队构形保持和编队整体转移机动。2相对运动分析[

5、1=[：二篓≥卅△d㈤国家自然科学基金(10972019)资助项目收稿日期：201卜06—20。收修改稿日期：2011—0725!§±圄窒间型堂堇查!!!!至!旦式中k三弘／^班=const，p为地球引力常数，h为轨道坐标系的角动量；叫为轨道坐标系的角速度；Af一(，，f，f。)1为卫星所受的各种力，包括各种摄动力、

6、控制力；Ad为不确定性扰动力。由J：引起的地球重力加速度在惯性坐标系里分量为‘6

7、：跏一字号川≯c，踟一一学i3川≯(1gZI一簪虿3川譬)2(3由Kepler轨道方程：＆(1一92)～1+ecos0(2)参考卫星在惯性坐标系中的位置坐标为(XiYiZi)1一Li(r00)1式中L．。为地心轨道坐标系到惯性坐标系的转化矩阵口]。用(zYg)1表示主动卫星在参考卫星轨道坐标系中的位置矢量，那么，它在惯性坐标系中的分量为(AX。AYi2xZi)1一Li。(zYz)1式中L。为轨道坐标系到惯性坐标系的转换矩阵‘8

8、

9、。它们的相对位置引起的摄动力之差(在惯性坐标系中的分量)为阱OAgxaX；OAgrOXia△gzaX．a△gxay．a△gyay．a△gzay．a△gxaZ；a△gy8Zia△gzaZ．匿将式(3)转到参考卫星轨道坐标系中有：(丘。厶。f：。)1=L。。(虿xigr．ga)7式中L。。是L；。的逆矩阵；^。，f灯f：。则为相对位置引起的J：项对卫星的相对摄动力。3协同控制器设计(3)基于上述相对运动分析，建立无主星编队。队形控制采用基于视线测量的循环协同控制方法，即编队每个成员向自己轨道前一成员建立视线测量，

10、如图1所示。假定N(N≥3)个卫星组成的编队，编队卫星s。跟踪自己最临近的前方编队卫星&，s，根据上级控制层指令追踪目标轨道，产生链式编队，那么在t时刻，卫星S。视线矢量Z。(f)，i。(f)可以定义口3为fm(‘)2p”(‘)一pm(‘’l⋯l。(￡)一p。(￡)眼(z)J其中有N≥3，72一m一1，m≥2，P。(￡)和多。(f)为s。的位置矢量和速度矢量。编队航天器在机动中的误差可以表示为[81e。(￡)一f。(f)一屯(f)1；。(￡)一i。(t)一托)f∞’)2)三一，乙一，Z了／L，L(5!!!!生

11、!旦士亘至囹登堂重查12式中ld(f)，i。(￡)为参考轨道的位置矢量和速度矢量，而控制系统的目标就是在一定控制时间使P。，；。趋向于0，实现给定的位置跟踪。式中x=[z，y，2，主，多，童]7为系统的状态，输人为比=[乱。，％，‰]7，A一(三二)。。。；N=：f一_2，+∞2一三帅。如：。+。：1，=lr：o。：2”1，=。[0厶3×3，／00M0B0／a0，扰动项为N=：I一地V3I，=of，