冗余配置航天器推力动态分配方法研究

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1、博士学位论文冗余配置航天器推力动态分配方法研究THRUSTDYNAMICALLOCATIONOFSPACECRAFTWITHREDUNDANTTHRUSTERS段晨阳哈尔滨工业大学2015年12月国内图书分类号：V448.2学校代码：10213国际图书分类号：629.78密级：公开工学博士学位论文冗余配置航天器推力动态分配方法研究博士研究生：段晨阳导师：孔宪仁教授副导师：张世杰教授申请学位：工学博士学科：航空宇航科学与技术所在单位：卫星技术研究所答辩日期：2015年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classified

2、Index:V448.2U.D.C:629.78DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringTHRUSTDYNAMICALLOCATIONOFSPACECRAFTWITHREDUNDANTTHRUSTERSCandidate：DuanChenyangSupervisor：Prof.KongXianrenViceSupervisor:Prof.ZhangShijieAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：A

3、erospaceScienceandTechnologyAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：Dec,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要推力器是一类能够用于航天器轨道控制和姿态控制的特殊执行机构，在大量航天任务上得以应用。为提高航天器的机动能力和在轨运行可靠性，高性能航天器通常配置了远多于控制自由度数量的推力器，使得由期望控制量到推力器的分配方案并不唯一，控制分配技术为过

4、驱动航天器的推力动态分配提供了一条有效解决途径。本论文在教育部博士点基金项目“航天器及航天器编队的动态控制分配问题研究”和国家国防科工局民用航天“十二五”预研项目“×××模块化卫星平台技术研究”等项目的资助下，围绕推力器冗余配置航天器控制分配问题，深入探讨了轨控优先姿轨一体化控制、编队燃料均衡和推力器负载均衡以及鲁棒推力分配等多方面，提出了多种适应不同需求的推力动态分配算法，取得了如下研究成果：推力在轨动态分配是影响推力器控制系统性能的关键，传统上采用的固定列表法面临存储数据量大、无法处理推力器故障等问题。为此，提出了

5、一种基于凸锥分析的过驱动航天器离线/在线混合推力动态分配法，并给出了凸锥在线部分修订算法。该方法利用由推力顶点张成的凸锥离线制定出所有可能的推力器组合，依据期望控制量在线选择推力器组合凸锥并确定组合内推力器的开关状态，推力器故障时通过对受影响凸锥的在线修订实现故障隔离。该方法采用凸锥分析数学手段离线制定列表，能够有效应对复杂推力器布局的列表制定，显著降低了在轨计算量，且通过故障推力器影响凸锥的在线修订有效应对在轨故障。最后，同燃料最优、基于代数法的查表法等进行仿真对比，结果表明燃料使用效率基本一致的前提下，平均分配误差

6、降低了26.85%，验证了所提方法的可行性和有效性。推力器是一类既能用于轨道控制又可用于姿态控制的特殊执行机构，如何利用推力器进行航天器的轨道和姿态控制成为高性能航天器的关键问题。为进一步降低在轨燃料消耗，提出了一种优先满足轨控并在不消耗额外燃料情况下尽可能提供姿控力矩的轨控优先姿轨一体化控制策略，给出了基于可达集的轨控优先姿轨一体化推力器分配方法，分别设计了基于可达集修正因子的凸松弛优化算法，以及依据效率矩阵和推力器布局特性的降维优化求解算法。在保证轨道控制期望控制力的前提下，尽可能实现所需的控制力矩，有效降低了燃料

7、消耗量。最后，对所提算法进行了数学仿真，验证了算法的可行性和有效性。推力器相关的各种不确定性会导致燃耗增加、姿轨改变、系统稳态时间增加、控制器性能降低等问题。以最小结构奇异值定量刻画包含冗余配置推力器的系统鲁棒性能，探索了具有鲁棒性能的冗余推力器布局设计的可行性，并采用椭球不I哈尔滨工业大学工学博士学位论文确定集描述推力器系统的多种不确定性，将不确定优化问题转化为确定性优化模型，提出了一种基于最优化的航天器鲁棒推力分配方法，优化了求解效率，提高了对推力器不确定性的鲁棒性能。仿真结果表明在控制效率矩阵具有5%-20%的随

8、机误差时，累积分配误差和最大分配误差可以减小15%以上。推力器是实现航天器编队控制进而完成协同任务的关键，编队任务寿命取决于燃料消耗最大的成员航天器寿命，需要在编队协同控制中考虑燃料平衡问题。将编队成员航天器作为一类提供三轴控制的“虚拟推力器”，提出了一种航天器编队燃料均衡控制方法和成员航天器推力器负载均衡方法，在定义平衡度和干扰