共线平动点附近二体绳系卫星系统轨道保持控制方法研究

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1、博士学位论文共线平动点附近二体绳系卫星系统轨道保持控制方法研究STATIONKEEPINGCONTROLOFTWO-BODYTETHEREDSATELLITESYSTEMAROUNDCOLINEARLIBRATIONPOINTS刘刚哈尔滨工业大学2015年3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共线平动点附近二体绳系卫星系统轨道保持控制方法研究博士研究生：刘刚导师：马广富教授申请学位：工学博士学科：控制科学与工程所在单位：航天学院答辩日

2、期：2015年3月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V448.2U.D.C:629.78DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringSTATIONKEEPINGCONTROLOFTWO-BODYTETHEREDSATELLITESYSTEMAROUNDCOLINEARLIBRATIONPOINTSCandidate：LiuGangSupervisor：Prof.MaGuangfuAcademicDegreeAppliedfor：D

3、octorofEngineeringSpeciality：ControlScience&EngineeringAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：March,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要平动点及其附近的周期轨道是航天器编队进行深空探测的理想场所，而绳系卫星系统因其编队构型保持和重构方面的优势，在未来平动点探测任务中具有较大的应用潜力。由于共线平动

4、点及其附近周期轨道的弱稳定性，轨道保持控制是平动点航天器应用的关键技术之一。本文在总结现有成果的基础上，以国家自然科学基金项目“深空环境下绳系卫星动力学建模与控制研究”为背景，对二体绳系卫星系统在共线平动点附近的轨道保持控制问题进行了深入研究，论文主要内容包括：在圆形限制性三体问题假设下，对绳系卫星系统系统动力学模型的稳定性等进行了的论述和研究。计算了线性化后二体绳系卫星系统在平动点附近的特征值，分析了绳长变化对平动点位置以及稳定性的影响。介绍了基于微分校正的周期轨道数值寻找方法，并给出了一种基于配点

5、法和非线性规划的周期轨道数值计算方法。以数值计算所得结果为搜索初值，采用延拓法得到了旋转绳系卫星系统的周期轨道族。稳定性分析所得结果为轨道保持控制器设计提供了相应的理论基础，而人工平动点和周期轨道的计算则为轨道保持控制器设计提供了精确的参考轨道。采用小推力发动机提供轨道控制加速度，研究了在不考虑小推力上限的情况下，基于非线性控制理论研究了TSS的轨道保持控制器的设计问题。首先根据绳系卫星系统动力学模型为二阶级联系统的特点，利用backstepping方法设计了轨道保持控制器，并以此为基础，针对速度信息

6、不可知的情况，设计了两种无需速度信息的backstepping控制器。此外，考虑轨道保持过程中的能量消耗问题，设计了非线性SDRE最优轨道保持控制器。接下来，考虑到空间中摄动干扰的影响，对backstepping控制器和SDRE控制器进行改进，提高了其对摄动干扰的抑制能力。最后通过数值仿真验证了所设计控制器的有效性，并指出非旋转绳系卫星系统本身所具有的缺陷。考虑小推力推进器输出存在推力上限的情况，首先设计了抗输入饱和backstepping控制器，并证明了在满足一定条件的前提下，存在控制输入饱和时所设

7、计的控制器仍可以保证系统的稳定性。接下来，利用非线性模型预测控制在处理有约束控制问题方面的优势，将绳系卫星模型动力学离散化后设计了相应的非线性模型预测轨道保持控制器。进一步考虑当初始轨道偏差较大时，传统的预测控制器在干扰影响下可能无法满足状态约束的问题，设计了基于Tube-I-哈尔滨工业大学博士学位论文不变集的鲁棒非线性预测控制器。最后通过数值仿真验证了所设计控制器在处理摄动干扰及控制输入饱和问题上的有效性。在地月系统下考虑通过改变绳长实现轨道保持的控制问题。首先将绳长变化和小推力推进器相结合，分别采

8、用动态控制分配和非线性预测控制器直接计算两种策略设计了系绳和小推力联合控制方法，并给出了可行性分析。接下来，仅以系绳长度作为控制量，根据旋转绳系卫星系统人工平动点稳定性分析的结果，采用动力学方法设计了相应的平动点保持控制器。在此基础上，引入Floquet模态对旋转绳系卫星状态进行转化，设计了周期轨道保持控制器。最后的仿真结果表明，当初始轨道偏差较小时，在圆形限制性三体动力学模型下，所设计的控制器可以使旋转绳系卫星长期停留在参考人工平动点或周期轨道附近。针