绳系卫星状态保持阶段运动分析与控制

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1、中图分类号：O313V448.2论文编号：102870115-B024学科分类号：080101博士学位论文绳系卫星状态保持阶段运动分析与控制研究生姓名庞兆君学科、专业一般力学与力学基础研究方向飞行器动力学与控制指导教师金栋平教授南京航空航天大学研究生院航空宇航学院二О一五年六月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAerospaceEngineeringMotionsandTheirControlsofTetheredSatellit

2、eSystemsduringStation-KeepingAThesisinMechanicsbyPANGZhaojunAdvisedbyProf.JINDongpingSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyJune,2015承诺书本人声明所呈交的博士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或

3、其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入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。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学博士学位论文摘要绳系卫星是将两个或多个人造卫星、航天器通过柔性系绳连在一起飞行的组合体，在空间科学等领域具有重要应用价值，受到了广泛的关注。现有对绳系卫星系统的理论研究中，大多采用将卫星简化为质点，系绳简化为刚性杆的低自由度模型进行分析。然而在很多系绳卫星系统的应用中，卫星的刚体姿态运动是不可忽略的

4、，此时在对系统建模时需要将卫星考虑成刚体。本文针对绳系卫星主星姿态的作用，系统研究了状态保持阶段绳系卫星的运动及其控制问题。论文主要内容如下：（1）研究了圆轨道绳系卫星系统的混沌运动，并通过加入阻尼来消除系统的混沌运动。将系绳的俯仰运动使用椭圆函数解析地表示出来，并视其为主星刚体姿态运动的扰动，从而使原两自由度系统变换成带有扰动的单自由度系统。利用Melnikov方法研究了主星刚体姿态的混沌运动，给出了含阻尼的绳系卫星系统发生混沌运动区域。并通过对更接近真实系统的“珠链模型”进行数值仿真，验证了采用的假设的正确性和理论分析的结果。（2）

5、研究了椭圆轨道绳系卫星系统的周期运动、混沌运动及其欠驱动控制问题。通过摄动法获得了小轨道偏心率时的绳系卫星周期解，分析了周期解的稳定性，并采用线性速度反馈控制将不稳定的周期运动镇定到稳定的周期运动上。同样采用Melnikov方法研究了系统的混沌运动，而后利用时延反馈控制方法成功将椭圆轨道绳系卫星系统的混沌运动引导到周期轨道上，并且通过对受控系统的稳定性分析得到了控制参数稳定域和系统参数稳定域。（3）研究了绳系卫星系统的内共振问题，给出了发生非线性共振的条件。采用多尺度方法获得了1:1和3:1内共振的解析解，分析了内共振下的非线性模态运动

6、及其稳定性，通过数值仿真验证了解析解及模态稳定性。（4）通过地面物理仿真实验对理论和数值分析结果进行了实验研究。基于天-地动力学相似原理，提出了圆轨道和椭圆轨道下天-地动力学等效方案，实现了这两种等效情况下的绳系卫星系统物理仿真，验证了圆轨道两体绳系航天器的混沌运动，以及采用阻尼力矩对于消除该混沌运动的有效性。同时，实验验证了时延反馈控制方法对稳定椭圆轨道欠驱动绳系卫星系统混沌运动的有效性。关键词：绳系卫星，Menikov方法，混沌运动，非线性共振，欠驱动控制，天-地动力学相似，物理仿真i绳系卫星状态保持阶段运动分析与控制ABSTRAC

7、TAsanewtypeofspacecraft,tetheredsatellitesystemshavebeenpaidmuchattentionforthepastdecades.Inordertohaveagoodcontroldesign,itisessentialtounderstandtheattitudedynamicsoftetheredsatellitesystems.Thispaperfocusesonmotionsandtheircontrolsoftetherssatellitesystemsduringstate

8、-keppingphase,withconsiderationofrigidattitudesofthemothersatellite.Thecontentsareasfollows.(1)Thechaot