1、微小衛(wèi)星編隊(duì)飛行是近十年來航天領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),具有廣泛的應(yīng)用前景。多目標(biāo)編隊(duì)的協(xié)同策略主要有主從式方法、基于行為的方法和虛擬結(jié)構(gòu)方法,本文利用其中的兩種協(xié)同策略分別設(shè)計(jì)衛(wèi)星的軌道和姿態(tài)的協(xié)同控制律,實(shí)現(xiàn)編隊(duì)構(gòu)型的保持控制、編隊(duì)的整體機(jī)動(dòng)控制以及姿態(tài)的協(xié)同控制。引入對(duì)偶四元數(shù)將編隊(duì)衛(wèi)星的軌道和姿態(tài)模型統(tǒng)一描述,使軌道和姿態(tài)的協(xié)同控制律能夠統(tǒng)一設(shè)計(jì),在航天器動(dòng)力學(xué)建模和控制領(lǐng)域應(yīng)用中具有更好的優(yōu)勢(shì)。本文主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新成果如下:
　

2、　(1)分析了編隊(duì)飛行衛(wèi)星間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)理論,建立了相對(duì)軌道動(dòng)力學(xué)模型,給出了編隊(duì)衛(wèi)星繞飛條件。詳細(xì)地闡述了姿態(tài)參數(shù)的描述方法,比較了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。建立了基于四元數(shù)法的相對(duì)姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)模型。
　　(2)利用主從式方法研究編隊(duì)協(xié)同控制問題。以兩顆衛(wèi)星編隊(duì)為例,提出了一種軌道LQR協(xié)同控制律,分析了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,仿真驗(yàn)證了在干擾存在的情況下,從星相對(duì)主星能夠完成編隊(duì)保持。采用一顆主星,兩顆從星的主從式編隊(duì)結(jié)構(gòu),提出了一種包含從星姿

3、態(tài)以及從星相對(duì)主星的姿態(tài)協(xié)同控制律,在主星達(dá)到期望姿態(tài)的過程中,從星跟蹤主星姿態(tài),最終協(xié)同到期望姿態(tài)。分析了控制參數(shù)對(duì)姿態(tài)協(xié)同控制律的影響,并指出在干擾較強(qiáng)的情況下,不宜采用此協(xié)同控制律。
　　(3)提出了一種利用虛擬結(jié)構(gòu)方法進(jìn)行整體協(xié)同控制的方法,把整個(gè)編隊(duì)視為一個(gè)虛擬剛體,進(jìn)行整體的控制或機(jī)動(dòng),并在機(jī)動(dòng)過程中,保持編隊(duì)構(gòu)型。以三顆衛(wèi)星編隊(duì)為例,設(shè)計(jì)了虛擬結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)控制器。動(dòng)力學(xué)控制器包含編隊(duì)隊(duì)形的反饋,實(shí)現(xiàn)對(duì)編隊(duì)速度

4、的控制;針對(duì)外部干擾,設(shè)計(jì)了姿態(tài)變結(jié)構(gòu)控制器。對(duì)于虛擬結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)控制,分別給出了有編隊(duì)隊(duì)形反饋和沒有隊(duì)形反饋的兩種控制律,并進(jìn)行了對(duì)比仿真驗(yàn)證,結(jié)果表明,沒有隊(duì)形反饋,編隊(duì)不能很好地保持原始構(gòu)型,而加入編隊(duì)隊(duì)形反饋后,誤差顯著減小,收斂速度加快,在機(jī)動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)了編隊(duì)構(gòu)型保持不變。
　　(4)應(yīng)用對(duì)偶四元數(shù)研究微小衛(wèi)星編隊(duì)飛行問題。從幾何的角度證明了對(duì)偶四元數(shù)能夠完整得表示剛體運(yùn)動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)和平移,實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)變換。建立了基于對(duì)偶四元數(shù)

5、的單顆衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)和姿態(tài)動(dòng)力學(xué)方程,并在此基礎(chǔ)上,以兩顆衛(wèi)星編隊(duì)為例,推導(dǎo)了基于對(duì)偶四元數(shù)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型。
　　(5)提出了一種基于對(duì)偶四元數(shù)的協(xié)同控制方法,將信息一致性理論應(yīng)用到編隊(duì)飛行控制問題中,設(shè)計(jì)了應(yīng)用對(duì)偶四元數(shù)的協(xié)同控制律,對(duì)四顆衛(wèi)星的位姿同步及位姿跟蹤控制進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,結(jié)果顯示均能在500秒以內(nèi)實(shí)現(xiàn)位姿的同步和跟蹤。
　　(6)設(shè)計(jì)了一套編隊(duì)衛(wèi)星嵌入式仿真平臺(tái),利用四個(gè)PC104系統(tǒng)模擬編隊(duì)中的衛(wèi)星