帆板挠性对空间交会最后平移控制性能影响分析

《帆板挠性对空间交会最后平移控制性能影响分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、工程技术载人航天2011年第4期帆板挠性对空间交会最后平移控制性能影响分析连一君刘鲁华汤国建(国防科技大学航天与材料工程学院)摘要分别建立了用于航天器空间交会的两组六自由度动力学模型，一为刚体模型，一为考虑太阳帆板挠性的模型，利用相平面控制方法实现了对航天器质心和姿态的控制。为满足交会时间、能量和精度等性能指标，在合理调整相平面参数的情况下得到了一条满足要求的标准轨道，在考虑各种误差的条件下，利用Monte-Carlo方法对两种模型下的控制效果进行了统计分析。结果表明，太阳帆板的挠性振动对控制系统的影响基本可以忽略；相平面控制简单可靠，可以满足对接初始条件和飞行时间的要求，具

2、有较强的工程应用价值。关键词交会对接最后逼近段挠性相平面控制性能分类号V412．4*2文献标识码A文章编号1674—5825(2011)04—0019—051概述航天器交会对接是载人航天任务中的一项关键技术I-棚，美、俄从上世纪60年代开始进行了一系列的交会对接飞行，技术水平逐渐走向成熟，我国交会对接技术起步相对较晚，目前在理论研究和地面试验方面已取得了较大进展，据报道今年下半年将进行在轨交会对接试验。交会对接涉及两个航天器(即追踪航天器和目标航天器)之间的轨道操作，追踪航天器在与目标航天器对接前划分了多个飞行阶段，包括远程导引段、近程导引段和最后逼近段等，最后逼近段一般会在

3、中途设置一个或多个保持点，用于在轨测试及试验等任务。从可查到的现有文献看，国内外针对最后逼近段控制问题的研究，均没有考虑姿态控制与质心控制的耦合，以及太阳帆板的挠性对逼近控制的影响。载人飞船一般安装有面积较大的太阳能帆板，而且其质量受发射条件的限制，使得航天器的刚度较低，在刚体条件下设计的控制律，当考虑太阳能帆板的挠性时，其性能可能会受到影响，该影响的量级有多大、是否可以忽略尚未有研究，必须经仿真验证给出结论。针对交会对接最后逼近段的控制问题，分别采用刚体模型和中心刚体加挠性附件模型进行了六自由度仿真计算，对比分析太阳帆板挠性对控制性能的影响。2动力学模型2．1刚体动力学方程

4、追踪航天器刚体动力学方程及欧拉运动学方程如下：，越印(1)t哆+哆Ito谢(2)『砂=[(叱叫。)cos9一(哆，叫。)simplieosO{O=(to。喇。)co印+(％毗)sin‘p(3)l讧(q，吨o)一[(q：刊。)co印一(q，叫屹)sin‘p]tanO其中，m为追踪航天器总质量，X为位置矢量，F为外力主矢，t为质心惯量矩阵，妒，0，妒为追踪器本体系相对于目标轨道系按照3—1—2转序的三个欧拉角，q=[她，，tosy，co．]’为追踪航天器绝对角速度在本体系上的投影，∞，----[to。，∞。，魄]’为目标轨道角速度来稿13期：2011-0l一26；修回13期：20

5、1l-0¨20。作者简介：连一君(1983．08一)，男，博士研究生，研究方向为平动点轨道动力学与控制。19载人航天2011年第4期在追踪航天器体系上的投影，M为外力主矩。2．2中,bSLJ体+挠性附件模型中心刚体+挠性附件的六自由模型14咆括质心平动方程、绕质心转动方程和太阳帆板振动方程。质心平动方程描述航天器质心的运动和外力的关系。由于考虑挠性振动，方程中出现模态坐标的相关项：mX+E1％+既叼2胡(4)E=[兄。％⋯蚝](扛l，2)(5)Ed=EAtBtCt]Esinctco鳅1]‘O=1，一，5)(6)其中，Fn、F吐为左右太阳帆板振动对中心体平动的柔性耦合系数矩阵；

6、叼。，叩：分别为两片太阳能帆板的模态坐标；a是太阳帆板转角；At、Bt、Ct是与tit角无关的柔性耦合系数矩阵。转动方程包括描述角速度与外力矩相互关系的欧拉动力学方程和描述姿态角和角速度相互关系的欧拉运动学方程，如下所示。t哆+qt哆+只l叼l+C2叩2谢(7)E产[只i。E也⋯E巧](扛1，2)(8)凡=[加BsCslEsinaCOStlt1]1U=1，⋯，5)(9)其中，F¨F。：为左右太阳帆板振动对中心体转动的柔性耦合系数阵；a是太阳帆板转角；As、Bs、Cs是与n角无关的柔性耦合系数矩阵。考虑太阳帆板的振动与飞船平动与转动的耦合影响，则有如下方程描述：l面，+暂。Qd

7、。面，+《m成就一远=o⋯、1一【10)I谠+％Q以面：+屯叼：+ET：赢《如=o其中，f。、f：为左右太阳帆板的模态阻尼系数；Q。，、Q以为左右太阳帆板模态频率对角矩阵，通过有限元分析获得。由式(4)。(10)易知，挠性附件的影响通过模态坐标’，。、叩：及其导数体现，若令模态坐标为零，则方程组蜕变为刚体动力学方程。3相平面控制相平面控制【5l是一种经典的控制方法，在“阿波罗”登月舱上就得到成功应用，研究两个状态变量的开关控制律，用相平面方法非常直观。记待控制量为o=c(14)上式表示相点轨迹是平行于0