基于lawden方程的卫星编队队形设计和控制研究

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1、基于Lawden方程的卫星编队队形设计和控制研究(申请清华大学工学博士学位论文)培养单位：航天航空学院学科：力学研究生：崔海英指导教师：李俊峰教授二○○五年十月基于Lawden方程的卫星编队队形设计和控制研究崔海3英SatelliteFormationDesignandControlBasedonLawden’sEquationsDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofEngin

2、eeringbyCuiHaiying(Mechanics)DissertationSupervisor:ProfessorLiJunfengOctober,200514摘要摘要编队飞行卫星具有巨大的口径或测量基线，在电子侦察、立体成像、精确定位、气象测量等应用领域具有无法比拟的突出优势。本论文基于Lawden方程对卫星编队飞行中的队形设计和队形控制问题进行了系统地研究。在建立Lawden方程的基础上，研究了方程的模型误差。由于建立方程过程中的近似处理破坏了地球引力场是中心力场的性质，从而导致了Lawden方程解的误差。在计算卫星能量变

3、化率分析模型误差的基础上，提出了通过约束相对轨迹的大小和队形持续时间来控制模型误差的方法，从而保证设计和控制精度。基于Lawden方程研究了圆参考轨道和椭圆参考轨道的编队队形设计方法。分析了圆参考轨道的相对轨迹特点，在此基础上对四种典型编队形式及其应用进行了设计、分析和仿真；并通过引入相角的概念，给出了圆参考轨道多星编队队形的简便设计方法。对椭圆参考轨道的三种编队形式及其应用进行了设计、分析和仿真，编队相对轨迹的形状与主星轨道偏心率和初始真近点角密切相关。研究了基于Lawden方程进行编队队形保持控制的方法。建立了编队队形保持控制系统

4、模型，并对编队飞行卫星的相对摄动进行了分析和简化。在此基础上，对编队队形保持的控制策略进行了研究，通过合理的选择加权矩阵，控制推力在约束范围内，即用无约束的线性二次型优化方法解决有控制约束的优化问题。利用开环和闭环相结合的控制方法对卫星编队队形重构控制问题进行了研究，提出了基于路径规划和路径跟踪的编队队形重构控制方法。在求解满足Lawden方程、采用连续小推力电推进系统、避免星间碰撞等约束的两点边值问题基础上，得到能量最省的最优重构轨迹。然后基于线性伺服器工作原理设计控制律，跟踪优化轨迹。关键词：卫星编队飞行；Lawden方程；相对轨

5、迹；队形保持；队形重构14AbstractAbstractTheformationflyingsatelliteshavelargeapertureorlongbaselineandhenceforthsignificantpracticalvalueinmanyfieldssuchaselectronicreconnaissance,three-dimensionalimaging,preciseorientation,atmospheresurveyandsoon.Inthisdissertation,thesatellitefo

6、rmationdesignandcontrolbasedonLawden’sequationsarestudiedsystematically.ThemodelerrorisinvestigatedstartingwiththeestablishmentofLawden’sequations.ThesimplificationonwhichLawden’sequationsaresetupviolatesthetruththattheearthgravityfieldisacentricforcefieldandcausestheso

7、lutionerroroftheequations.Onthebasisofcalculatingthechangerateofthesatellites’energyandanalyzingthemodelerror,amethodtoguaranteethedesignandcontrolprecisionispresentedbyconstrainingthesizeoftherelativetrajectoryandformation-keepinginterval.Theformationdesignmethodforcir

8、cularandellipticreferenceorbitbasedonLawden’sequationsisresearched.Byanalyzingthefeaturesoftherelativetrajecto