混合小推力航天器日心悬浮轨道保持控制

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1、航空学报ActaAerOnauticaelAstrOnauticaSinicaDec．252015V01．36No123910—3918ISSN1000．6893CN11—1929／Vhttp：／／hkxbbuaaeduCFIhkxb@buaaeducn混合小推力航天器日心悬浮轨道保持控制张楷田，楼张鹏，王永*，陈绍青中国科学技术大学自动化系，合肥230027摘要：针对太阳帆、太阳电混合推进航天器日心悬浮轨道保持控制问题进行了研究。为解决基于局部线性化模型设计轨道保持控制器时存在的控制精度不高、模型精确性过度依赖等问题

2、，应用自抗扰控制(ADRC)技术设计了轨道保持控制器。首先，采用圆形限制性三体问题(CRTBP)模型推导了混合小推力航天器日心悬浮轨道动力学方程；然后，考虑系统模型不确定性和外部扰动，提出了一种基于扰动估计和补偿的轨道保持控制方法；最后，数值仿真表明存在系统模型不确定性、初始人轨误差及地球轨道偏心率扰动等因素的情况下，所设计的控制器仅需很小的速度增量即可实现高精度的日心悬浮轨道保持控制。关键词：混合小推力；太阳帆；日心悬浮轨道；轨道保持；自抗扰控制中图分类号：V448．2文献标识码：A文章编号：1000—6893(20

3、15)12—39]0—0921世纪以来，随着人类探索太空的步伐不断加快，开发更为高效的航天推进技术逐渐成为空间科学的研究热点。太阳帆作为一种利用太阳光压获得连续推力而无需燃料的新型推进系统，受到了广泛关注，McInnes[1

4、、Baoyin[2qJ和Gong[4]等对其展开了较为深入的研究。2010年，日本“IKAROS”号太阳帆航天器成功发射并圆满完成了全部性能测试，昭示着太阳帆的巨大应用前景。然而，当前太阳帆仍处于技术萌芽阶段，相比之下，高比冲、能够提供连续小推力的太阳电推进技术更加成熟，目前已成功应用于DeepS

5、pace1、SMART一1以及Dawn等多项深空探测任务[5]。混合小推力航天器[5。63(下文中统一将其称为“混合太阳帆”)即结合太阳帆推进系统和太阳电推进系统的新型连续小推力航天器，其一方面具备了太阳帆推进无需能耗和太阳电推进工作效率高的双重优势，另一方面克服了太阳帆无法提供指向太阳方向的推进分量的缺陷，适合执行复杂的轨道飞行任务。日心悬浮轨道是航天器推进力与引力相互平衡形成的悬浮在太阳上方区域的非开普勒周期轨道，因其特殊的空间位置为深空中继通信和日地观测等轨道任务提供了理想平台[7]。Mclnnes和Bookle

6、ss[8。9]归纳分析了不同类型悬浮轨道的动力学特性，结果表明某些参数下的轨道是不稳定的，需要采取轨道保持技术，以保证航天器在目标悬浮轨道的稳定运行。当前，将系统非线性动力学方程在标称轨道附近线性化后再进行分析研究是设计悬浮轨道保持控制器的较为普遍的方法。Simo和McInnes[1叩基于反馈线性化方法实现了混合太阳帆的平动点悬浮轨道保持控制。Mclnnes[8]基于标称轨道附近的线性化动力学方程提出了轨道保持被动控制策略。Gong等[1妇研究了太阳帆日心悬浮轨道附近的编队飞行问题，通过分析线性化运动方程讨论了几种编队

7、控制方法。钱航等[121收稿日期：2015-01—06；退修日期：2015—04—21；录用日期：2015-05—25：网络出版时间：2015—06—0116：42网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／11．1929V201506011642003html*通讯作者Tel：0551-63601506E-mail：yongwang@ustceducn引用榕武：ZhangKT，LouZP，WangY，etalStation-keepingcontrolofspacecraftusinghybridlo

8、w-thrustpropulsioninheliocentricdis—placedorbfts[以ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2015，36(12)：3910．3918张楷函，楼张鹏，王永，等混合小推力航天器8心悬浮轨道保持控铷￡JI航空学报．2015。36(12)：3910．3918张楷田等：混合小推力航天器日心悬浮轨道保持控制针对太阳帆日心悬浮轨道线性动力学模型，采用线性二次型调节器方法设计了相应的轨道保持控制律。上述工作都取得了一定效果，但是均存在一些问题：①设计控制

9、器时未考虑扰动因素；②基于太阳帆悬浮轨道局部线性化动力学方程的控制方法对系统模型精度依赖性较强。值得注意的是，获取精确的系统模型不仅难度较大，而且模型参数会随着航天器工况以及深空环境的变化产生漂移。因此，基于局部线性化模型的控制系统的鲁棒性难以令人满意。此外，线性化方法处理非线性系统控制问题时仅能保证局部稳定，且一般情况下很难求出