卫星编队飞行相对轨迹优化与控制

发布时间：2020-08-18 18:47

【摘要】：编队卫星通过星间协同实现数据的获取、处理、分析,可以完成许多复杂的空间任务,在空间科学、空间应用、空间安全等领域具有广阔的应用前景。目前主要朝着微纳卫星低成本大规模编队飞行和深空轨道高精度编队两个方向发展。卫星编队飞行动力学与控制的基础是设计良好的几何构型,核心是要编队卫星的自主控制。本文从编队构型设计、编队飞行解析控制、编队重构的轨迹优化和编队飞行协同控制四个方面进行了研究。主要内容包括以下几个方面:首先,在编队飞行动力学与构型设计方面:针对近地轨道的编队飞行任务,采用无奇异轨道根数推导了J2摄动下构型参数变化的解析表达式,介绍了J2摄动下构型的稳定条件及构型设计方法,为构型保持控制奠定了理论基础;针对深空大尺度编队飞行构型设计,基于轨道要素差描述的相对运动方程,推导了考虑其他天体摄动和多任务约束的构型优化模型,将其转化为构型参数空间内寻找函数最小值的优化问题,并结合差分进化算法和序列二次规划算法得到了满足空间引力波探测任务约束的等边三角形构型。其次,在编队相对运动轨迹优化方面:针对J2摄动下的多脉冲编队轨迹优化,推导了考虑J2摄动和轨道面内外耦合的无奇异偏差动力学方程,采用遗传算法和序列二次规划算法求解了该混合整数优化问题,并和基于非线性脉冲的轨迹优化方法及J2摄动下的主矢量理论进行对比,验证了结果的可行性;针对第三体摄动模型下的电推进轨道转移任务,基于庞特里亚金极大值原理推导了最优控制的必要性条件和解析梯度矩阵,通过同伦法求解了该问题;同时,针对空间引力波探测的轨道优化任务中,以最省能量为原则建立了考虑燃料均衡和三体摄动,同时优化逃逸参数的转移轨道优化模型。然后,在编队解析构型控制方面:针对近地轨道松散的构型维持任务,采用平均相对速度表示编队构型的漂移率,推导了平均相对速度和脉冲速度增量之间的解析表达式,提出了一种只需要星间测距信息的解析控制策略,具有计算量小、适合星载计算的优点;针对快速碰撞预警与规避任务,提出了基于牛顿迭代的碰撞预警算法和碰撞规避算法,仿真表明了算法的有效性;此外,阐述了编队卫星法向机动引起切向漂移的机理,并提出了一种解析的切向补偿方法,并以某磁层探测任务为例进行了仿真验证。最后,在编队协同控制方面:针对多星近地轨道编队飞行,基于虚拟结构和一致性理论的设计了编队飞行构型维持控制的分布式系统架构,通过构型设计原理推导了协同变量实例化方法,并结合线性二次型控制和伪速率控制实现了控制序列的“开关”控制,仿真表明,对于双向环状网络通信拓扑,一致性协议可以保证编队得到持续的协作信息从而实现渐近达到一致。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V448.2
【图文】：

重力场,太阳同步,空间研究

图 1.2 GRACE 重力场测量月 15 日，瑞典空间研究中心牵头的 PRISMA 任务自主编队飞行与近距离交会的相关技术，两颗卫星 140kg，整体搭载被发射到 725 km 高的太阳同步采用基于 AFF 的射频技术，测量范围可达到 15km角度测量精度为 1"（Persson 等，2006）。

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PRISMA任务

欧空局,极轨卫星,卫星,俄罗斯

图 1.4 TanDEM 项目11 月，欧空局的 Swarm 卫星在俄罗斯发射成功，3 颗于高精度地测量地球磁场变化，其中 A/B 两颗卫星在的近圆轨道上形成双星编队，相对距离约为 150km(F6 月，加拿大多伦多大学将质量为 7kg 的两颗纳卫星，98.2°倾角的太阳同步圆轨道，其主要任务包括验保持技术及亚米级相对定位精度的差分 GPS 等技术00m 和 1000m 的串行编队，半径 50m 和 100m 的水.，2005）。

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