復(fù)雜通信拓?fù)錁?gòu)型下衛(wèi)星編隊姿態(tài)同步控制.pdf

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1、博士學(xué)位論文復(fù)雜通信拓?fù)錁?gòu)型下衛(wèi)星編隊姿態(tài)同步控制ATTITUDESYNCHRONIZATIONCONTROLOFSATELLITEFORMATIONUNDERCOMPLEXCOMMUNICATIONTOPOLOGY2018年6月國內(nèi)圖書分類號：V554+.3學(xué)校代碼：10213國際圖書分類號：620密級：公開工學(xué)博士學(xué)位論文復(fù)雜通信拓?fù)錁?gòu)型下衛(wèi)星編隊姿態(tài)同步控制博士研究生：王智鵬導(dǎo)師：孫兆偉申請學(xué)位：工學(xué)博士學(xué)科：航空宇航科學(xué)與技術(shù)所在單位：航天學(xué)院答辯日期：2018年6月授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)ClassifiedIndex:V554+.3U.D.C:620Disse

2、rtationfortheDoctoralDegreeinEngineeringATTITUDESYNCHRONIZATIONCONTROLOFSATELLITEFORMATIONUNDERCOMPLEXCOMMUNICATIONTOPOLOGYCandidate：WangZhipengSupervisor：SunZhaoweiAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：AeronauticalandAstronauticalScienceandTechnologyAffiliation：SchoolofAst

3、ronauticsDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要姿態(tài)同步控制是衛(wèi)星編隊飛行的重要研究內(nèi)容，在合成孔徑成像和空基合成孔徑雷達(dá)干涉測量等許多實際編隊任務(wù)中發(fā)揮著重要作用，近幾十年來受到了越來越多國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。衛(wèi)星處于復(fù)雜的空間環(huán)境中，受到外部干擾等影響，且由于衛(wèi)星在軌運行過程中，溫度的變化、燃料的消耗、有效載荷的運動等因素會引起衛(wèi)星量和轉(zhuǎn)動慣量的變化，這些都會對衛(wèi)星編隊系統(tǒng)的控制精度及穩(wěn)定性等方面產(chǎn)生影響?；谛l(wèi)星結(jié)構(gòu)和航天任務(wù)的日益復(fù)雜和

4、多樣化，傳統(tǒng)控制方案不再適合現(xiàn)有航天任務(wù)。本文基于圖論理論、滑?？刂评碚摵妥赃m應(yīng)機(jī)制等，針對不同情況下衛(wèi)星編隊系統(tǒng)姿態(tài)同步控制問題開展研究。論文的主要內(nèi)容如下：考慮外部干擾、轉(zhuǎn)動慣量不確定、通信時延等情況下的衛(wèi)星編隊系統(tǒng)有限時間姿態(tài)同步控制問題?；趫D論理論、基于行為的控制策略和有限時間控制理論，設(shè)計了一種基于有向圖的快速滑模姿態(tài)同步控制器，并利用Lyapunov理論證明了閉環(huán)系統(tǒng)可在有限時間內(nèi)收斂到平衡點。在時變通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，采用由四顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星編隊系統(tǒng)進(jìn)行仿真以驗證算法的正確性和有效性，并將其與現(xiàn)有控制器相比較，說明了快速滑?？刂破骺商峁└呔仁諗?、快速響應(yīng)、較強魯

5、棒性和抖振抑制等控制性能。最后通過對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，給出了相關(guān)設(shè)計參數(shù)對控制性能影響的一般規(guī)律。針對編隊衛(wèi)星姿態(tài)同步控制，考慮無參考信息、外部干擾、通信受限等因素的影響，設(shè)計了無需角速度反饋的姿態(tài)輸出反饋同步控制器。首先，基于四元數(shù)，設(shè)計了輸出反饋控制器，該控制器可以使編隊飛行的姿態(tài)在沒有主星、沒有外部參考姿態(tài)、存在外部干擾的情況下以有限的通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實現(xiàn)衛(wèi)星編隊飛行的姿態(tài)同步。并利用Lyapunov穩(wěn)定性理論證明閉環(huán)系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定。在此基礎(chǔ)上，在有向通信拓?fù)錀l件下，研究了衛(wèi)星編隊無領(lǐng)導(dǎo)者一致性問題，在觀測器—控制器框架內(nèi)，設(shè)計了魯棒分布式輸出反饋控制方案，在存在時延、模型

6、不確定等情況下，首先設(shè)計了分布式滑模觀測器，使得系統(tǒng)可在線估計角速度信息，并基于觀測到的信息，設(shè)計分布式自適應(yīng)控制器。設(shè)計的控制策略可保證衛(wèi)星編隊可達(dá)到加權(quán)平均一致，并通過Lyapunov穩(wěn)定性理論證明一致性誤差的收斂，最后進(jìn)行數(shù)值仿真驗證上述控制算法的有效性。為減少編隊衛(wèi)星中控制輸入更新頻次，降低系統(tǒng)有限的能量消耗，本文引入了事件驅(qū)動控制機(jī)制，在存在轉(zhuǎn)動慣量不確定的情況下，針對固定通信拓?fù)涞那闆r，在Euler-Lagrange系統(tǒng)框架下，設(shè)計了基于事件驅(qū)動的自適應(yīng)控制器，使得衛(wèi)-I-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文星編隊系統(tǒng)的姿態(tài)角和姿態(tài)角速度漸近趨于一致。在此基礎(chǔ)上，針對時

7、變通信拓?fù)涞那闆r，引入輔助變量，設(shè)計了對于時變信息拓?fù)涓鼮橛行У淖藨B(tài)同步控制算法，使得衛(wèi)星編隊系統(tǒng)在時變通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下姿態(tài)角度和姿態(tài)角速度趨于一致。關(guān)鍵詞：衛(wèi)星編隊；姿態(tài)同步；有限時間控制；分布式控制；事件驅(qū)動控制；自適應(yīng)控制-II-AbstractAbstractAttitudesynchronizationcontrolisoneimportantresearchcontentofsatelliteformationflight,playsanimportantroleinmanyactualfor