考慮推力約束的航天器交會制導(dǎo)策略研究.pdf

1、空間交會是航天器相對運(yùn)動的一種形式，為了實(shí)現(xiàn)追蹤航天器和目標(biāo)航天器的交會，需要進(jìn)行復(fù)雜的軌道機(jī)動控制。目前空間交會任務(wù)復(fù)雜多樣，而且交會過程存在各種各樣的限制，比如狀態(tài)約束、推力約束等，同時不同任務(wù)的優(yōu)化目標(biāo)不同，比如最少時間、能耗最優(yōu)等，因此針對不同的航天任務(wù)的特點(diǎn)，設(shè)計合適的制導(dǎo)策略，具有重要的意義。
　　本文以空間交會為背景，交會過程考慮航天器推力約束，提出了基于滿意控制理論和基于模型預(yù)測控制理論的制導(dǎo)策略。首先建立了航天器

2、間的動力學(xué)模型。采用變量代換的方法，將以時間為變量的動力學(xué)模型轉(zhuǎn)化為以真近點(diǎn)角為變量的形式。之后研究了航天器的自由繞飛情形，通過對動力學(xué)方程積分推導(dǎo)出自由繞飛的解析解，給出狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的形式，并進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果說明了在特殊情況下，自由繞飛軌道可以是嚴(yán)格的橢圓軌道，為交會初始狀態(tài)的選擇提供了依據(jù)。其次引入了滿意控制理論，介紹了其相關(guān)知識?；跐M意控制理論，以二次型指標(biāo)為目標(biāo)函數(shù)，考慮推力約束，設(shè)計了滿意控制制導(dǎo)策略。通過可變參數(shù)對

3、閉環(huán)極點(diǎn)分布的影響，分析了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進(jìn)而為選擇保證系統(tǒng)穩(wěn)定的參數(shù)值提供了依據(jù)，之后進(jìn)行了數(shù)值仿真。仿真結(jié)果驗(yàn)證了算法的有效性。再次研究了交會中的模型預(yù)測控制制導(dǎo)策略。首先介紹了模型預(yù)測控制的基本理論，然后由離散的交會動力學(xué)模型推出預(yù)測模型，以離散二次型指標(biāo)為目標(biāo)函數(shù)，推導(dǎo)了無約束下的控制律。加入推力約束后，設(shè)計了約束模型預(yù)測控制制導(dǎo)策略。局部鎮(zhèn)定器、終端代價函數(shù)和終端約束集是影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的三大因素，通過迭代求解了局部鎮(zhèn)定器和終端代

4、價函數(shù)，基于線性矩陣不等式理論求解終端約束集。數(shù)值仿真結(jié)果驗(yàn)證了算法的有效性。最后對以上兩種算法進(jìn)行了性能分析。通過對比分析初始點(diǎn)可行域、約束要求、交會時間、性能指標(biāo)和能耗指標(biāo)等方面，滿意控制算法適合全域強(qiáng)約束情形，具有性能優(yōu)、能耗小等優(yōu)點(diǎn)，但是交會花費(fèi)的時間很長；而模型預(yù)測控制算法適合松約束情形，交會時間短，但是在性能指標(biāo)和能耗指標(biāo)上表現(xiàn)不佳，而且對初始點(diǎn)的選擇要求苛刻。兩種算法的對比分析為不同的航天任務(wù)選擇合適的制導(dǎo)策略提供了依據(jù)，