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两类非开普勒轨道的动力学与控制研究

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表目录

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 研究现状

1.2.1 日心悬浮轨道动力学分析

1.2.2 太阳帆航天器日心悬浮轨道保持控制

1.2.3 连续小推进航天器日心悬浮轨道编队飞行控制

1.2.4 地球极地观测任务设计

1.3 论文组织结构

第2章 日心悬浮轨道动力学分析

2.1 动力学模型

2.2 日心悬浮轨道分类

2.2.1 第Ⅰ类悬浮轨道

2.2.2 第Ⅱ类悬浮轨道

2.2.3 第Ⅲ类悬浮轨道

2.3 日心悬浮轨道稳定性分析

2.3.1 系统线性化

2.3.2 第Ⅰ类悬浮轨道的稳定性

2.3.3 第Ⅱ类悬浮轨道的稳定性

2.3.4 第Ⅲ类悬浮轨道的稳定性

2.4 本章小结

第3章 太阳帆航天器日心悬浮轨道保持控制

3.1 动力学模型

3.1.1 变反射率太阳帆光压力模型

3.1.2 圆形限制性三体问题及坐标系的选择

3.1.3 太阳帆航天器日心悬浮轨道动力学方程

3.2 航天器日心悬浮轨道自抗扰保持控制

3.2.1 跟踪微分器

3.2.2 扩张状态观测器

3.2.3 非线性状态误差反馈

3.2.4 控制量转换

3.3 数值仿真和分析

3.3.1 扰动模型

3.3.2 地球-火星通信中继任务描述

3.3.3 仿真结果分析

3.4 本章小结

第4章 连续小推进航天器8,b悬浮轨道编队飞行控制

4.1 问题描述

4.2 线性自抗扰控制简介

4.3 航天器日心悬浮轨道线性自抗扰编队飞行控制器设计

4.3.1 线性扩张状态观测器

4.3.2 系统控制量

4.4 数值仿真和分析

4.4.1 编队飞行控制

4.4.2 仿真结果分析

4.5 本章小结

第5章 地球极地观测任务设计

5.1 极地观测轨道动力学模型

5.2 转移轨道描述

5.2.1 转移阶段

5.2.2 发射阶段

5.3 极地观测轨道保持控制

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 主要工作与贡献

6.2 远景展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的学术活动及研究成果

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摘要

依赖太阳帆等新型推进系统提供的推进动力,航天器能够偏离自然轨迹形成非开普勒轨道。日心悬浮轨道、极地观测轨道等非开普勒轨道因其特殊的空间位置,能够为深空通信中继、空间天气监测以及太阳物理研究等空间科学任务提供理想平台。因此,研究上述两类非开普勒轨道的动力学与控制问题具有重要的理论价值和现实意义。
  首先,本文详细分析了太阳帆航天器日心悬浮轨道保持控制。为改善太阳帆的工程应用性能,基于太阳帆推进和太阳电推进的各自优势将轨道保持控制过程划分为入轨阶段以及保持阶段。并且,采用新型的变反射率太阳帆从机理上解决了传统太阳帆存在的欠驱动问题。与此同时,考虑太阳帆轨道动力学方程强耦合、非线性等特征,借助自抗扰控制技术为太阳帆日心悬浮轨道保持控制提供了有效的解决方案。
  其次,为了实现日心悬浮轨道附近的高精度编队飞行,本文探讨了连续小推进航天器日心悬浮轨道编队飞行控制器的设计方法。首先推导了描述连续小推进航天器编队飞行的动力学方程,进一步地,给出了简洁实用的线性自抗扰编队飞行控制策略。最后考虑入轨误差、扰动以及模型不确定性进行了数值仿真,仿真结果达到了“LISA Pathfinder”等精密编队飞行任务要求的亚毫米精度标准。
  最后,针对当前空间科学领域的研究热点地球极地观测任务展开了研究。首先以圆形限制性三体问题模型为背景,建立了描述地球极地观测航天器运动规律的轨道动力学模型,在此基础上,推导了从圆形限制性三体问题会合坐标系到地心惯性坐标系的位置、速度转换关系。考虑伪流形轨迹难以直接和低地球轨道相交,结合霍曼转移理论和伪流形方法详细阐述了极地观测航天器从低地球轨道转移至极地观测轨道的低能耗控制策略。此外,应用更为实用的自抗扰技术实现了极地观测轨道的保持控制。

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