空间碎片对绳系卫星冲击的影响分析

摘 要：研究了绳系卫星受到太空碎片冲击时的最优控制响应。考虑系绳弹性和复杂边界约束,利用二阶微分包含及Legendre伪谱算法,提出了三维绳系卫星系统最优控制方法并给出了其回收过程最优控制的响应,获得了太空碎片对绳系卫星的冲击响应规律。
     

绳系太阳能发电卫星姿态机动的边界控制

针对绳系太阳能发电卫星大角度回转机动时太阳能板的振动抑制问题,提出了主姿态控制和边界最优主动振动控制相结合的复合控制方法。基于Lyapunov方法设计的主姿态控制器不但能够使卫星完成姿态机动,而且能够以太阳能板根部的弯曲力矩作为反馈信息,通过改变太阳能板根部的控制力矩来保证挠性结构振动的衰减性。考虑到绳的单侧饱和非线性特性,用非二次型性能指标代替传统的二次型性能指标设计的边界最优控制器能够进一步抑制挠性结构的振动。设计的同时证明了系统的稳定性及控制器的最优性。将该复合控制方法用于绳系卫星大角度单轴回转机动的仿真研究,仿真结果验证了该控制策略的有效性。     

椭圆参考轨道的卫星编队队形保持控制设计

以Lawden方程作为动力学模型,建立状态方程,利用线性二次型性能指标最优控制(LQR)对卫星编队队形进行保持控制。首先对近地轨道的主要摄动J2项摄动和大气阻力摄动进行描述,得到了影响编队队形的相对摄动的表达式。然后通过合理的选择控制加权矩阵R,用无约束的线性二次型优化方法解决了电推力火箭有控制约束的优化问题。仿真结果表明,这种控制方法是有效的。     

卫星编队飞行中的队形设计研究

目前关于卫星编队飞行的研究有显著的增加。多颗从属卫星(从星)在近距离内与主卫星(主星)组成特定的队形以完成相应的任务,是卫星编队飞行的特点及潜在优势。卫星在编队飞行时,其队形定义为以各颗卫星质心为顶点所构成的几何形状,而队形设计则是根据队形的几何形状求出各卫星的轨道根数(其中主星的轨道根数可以根据任务的要求事先确定)。基于相对轨道根数法,根据卫星相对运动方程,提出了“自然队形”的概念及队形设计的一般方法,并给出了具体的例子。     

计入姿态的绳系卫星概周期振动

建立了计入子星姿态的绳系卫星系统非线性动力学模型,研究了状态保持阶段系统的动力学行为。因计入子星姿态运动,导致子星高频振动与系绳低频摆动耦合,使得面内绳系卫星系统成为快-慢时变的非线性振动系统。应用变量分离和多尺度方法,获得了绳系卫星系统在平衡位置附近的概周期运动。结果表明,计入子星姿态的面内绳系卫星系统表现为概周期振动。     

面内弹性绳系卫星系统的内共振

研究了绳系卫星系统因系绳弹性和俯仰运动相耦合而引起的非线性内共振问题。首先应用Kane方程建立了面内椭圆轨道两体弹性绳系卫星系统在状态保持阶段的非线性动力学模型,分析了可能发生的内共振条件。然后,基于多尺度方法获得内共振下的调制方程及其Jacobi椭圆函数表示的解析解。结果表明,轨道摄动因素不会影响内共振,系统参数引起的内共振耦合振动会在两个模态之间相互传递,其调制周期取决于初始模态幅值。在一定的调谐参数上,模态振幅出现饱和现象。     

太阳帆悬浮轨道附近的编队

研究了利用太阳帆实现悬浮轨道附近编队飞行。考虑到相对运动距离与帆到太阳距离相比非常小,一阶近似得出了在主星坐标系中线性定常的相对运动方程。通过分析线性化的运动方程得出了相对运动的定性特征,给出了不同轨道附近的相对运动的稳定特性。讨论了原非线性相对运动方程的周期解的计算算法,给出了编队的初值条件。     

利用参照轨道要素研究卫星星座/编队的几何特征

星座/编队的对地遥感应用要求对卫星群的空间几何特征进行量度和评价。定义了用于刻画卫星星下点球面几何特征的两个指标:平均星间角距和星下点分布面积。作为星下点分布的一维量度,星间角距可由参照轨道要素解析地表达。继而给出星下点最小凸球面多边形的判定算法;与传统方法不同,该算法无需求解星下点坐标即可判定星下点几何特征,进而计算卫星分布面积,作为星下点几何特征的二维表征。最后以四星编队任务为例,通过计算判定星下点几何,分析了编队轨道设计要素与编队几何特征的半定量关系。     

绳系卫星收放控制地面实验研究

根据天-地动力学相似原理,设计了圆轨道绳系卫星面内运动地面实验系统。该系统的特色在于:利用气垫和喷气模拟卫星系统的空间动力学环境,如重力梯度和Coriolis力。基于计算机视觉和无线局域网技术,构建了在线测控子系统。根据在线优化及滚动时域控制理论,设计了绳系卫星反馈控制器。所设计的反馈控制律并非以解析形式给出,而是利用Legendre伪谱和非线性规划方法在线计算开环最优轨道来确定。最后,通过示例实验对控制器性能和地面实验系统的有效性进行了考核和验证。     

利用参照轨道要素设计卫星编队轨道

利用球面几何方法,引入参照轨道要素概念,给出其定义,并推导了用其描述的从星相对运动方程的精确形式。在主星偏心率为零时,根据编队飞行中相对轨道倾角很小的特点,对相对运动方程进行简化并分析相对运动的特征。设计了由一颗主星和六颗从星构成合成孔径静止侦察卫星的编队应用,给出编队队形特征和主星的轨道参数,从相对运动方程计算出编队中的六颗从星的轨道要素。数值仿真结果表明:简化的方程具有很高的精度,对编队队形设计问题完全适用。