椭圆轨道飞行器交会对接若干控制问题的研究

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1、中圈绅孽教求大誊博士学位论文万方数据椭圆轨道飞行器交会对接若干控制问题的研究作者姓名：学科专业：导师姓名：完成时间：科一一一搬一蝴驴一一一～一一万方数据lIlllIIlllIllIMIIIl10Y2698054UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationfordoctor’SdegreeResearchontheControlofSpacecraftRendezvousandDockinginanEllipticalOrbitAuthor

2、：YikeMaSpeciality：ControltheoryandcontrolengineeringSupervisor：FinishedTime：Prof．HaiboJiAugust，2014万方数据中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：签字日期：中国科学技术大学学位论文授权

3、使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。，口公开口保密——年作者签名：新张雄签字日期：望!出虽!!鱼签字日期：万方数据摘要飞行器交会对接是航天领域的研

4、究热点之一。许多不同种类的航天任务，如：航天飞行器的在轨组装、空间平台的补给、宇航员访问载人航天器等，都依赖于飞行器之间交会对接的成功实现。目前，针对椭圆轨道下非合作目标的交会对接依旧是一项挑战。本文以椭圆轨道飞行器的交会对接为背景，研究了在椭圆轨道下飞行器的相对位置和相对姿态控制器设计的问题，主要内容包括：首先，研究了椭圆轨道飞行器相对轨道运动控制的鲁棒镇定问题。基于描述椭圆轨道交会对接的Lawden方程和输入．状态稳定性(ISS)控制理论，设计了一种使飞行器相对距离和相对速度对于扰动加速度具有

5、ISS的控制律。理论分析表明在该控制律的作用下，通过调节设计常数，可以使飞行器相对距离和相对速度收敛到零点附近任意小的邻域内。考虑到控制器设计过程涉及到目标飞行器的轨道参数，如：轨道角速度、轨道角加速度等，这些参数一般是难以实时检测的。因此，我们引进了实用输入．状态稳定性(ISpS)的概念，并设计了不依赖于这些时变参数，同时可以使飞行器相对运动闭环系统满足ISpS的控制律。理论分析和仿真算例都表明所给出控制方案是有效的。其次，研究了椭圆轨道飞行器相对轨道运动的输入饱和控制问题。采用基于死区算子的饱

6、和模型描述飞行器交会系统的输入饱和现象，分别运用ISS和ISpS理论，给出了既能够抑制控制输入饱和的约束，又能抑制扰动加速度干扰的抗饱和鲁棒控制器。所设计的抗饱和控制器不依赖于目标飞行器轨道参数的实时信息。随后，以逆最优稳定的设计方法，讨论了椭圆轨道飞行器交会对接的相对轨道运动控制问题。针对不包含扰动加速度的Lawden方程，设计了使飞行器相对距离和相对速度具有逆最优稳定性质的控制器。在所设计的逆最优控制器作用之下，闭环系统不但是渐近稳定的，而且其相对于某个包含飞行器的相对距离和相对速度以及控制加

7、速度的性能指标是最优的。之后讨论了具有扰动加速度的交会对接系统的逆最优设计问题，并给出了不但具有逆最优性质，而且满足ISS的控制设计方案。然后，讨论了椭圆轨道飞行器交会对接的采样控制问题。交会对接的实际控制过程可以看成是一个采样控制的过程。基于Lawden方程的精确且未知的离散时间采样模型，给出了使得离散的闭环系统具有半全局实用渐近稳定性(SPA)的控制设计方案。最后，讨论了椭圆轨道飞行器交会对接过程中的姿态控制问题。将交会对接过程中的飞行器姿态控制，描述成对某个特定的姿态机动的跟踪。在考虑执行机

8、构非线性不确定误差的情况下，给出了姿态跟踪误差渐近趋于零点的鲁棒控制方案。仿真算例验证了所提出的控制方法的有效性。万方数据摘要关键词：交会对接，输入．状态稳定性，输入饱和，逆最优控制，采样控制Ⅱ万方数据ABSTRACTSpacecraftrendezvousanddockinghasalwaysbeenconsideredasoneofthehotspotsintheaerospacefield．Variouskindsofaerospacemissionsdependonthes