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洛伦兹航天器动力学分析与控制
 
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【摘要】:带电航天器在中心引力体磁场中运动时受到洛伦兹力作用,该洛伦兹力可用以实现无推进工质消耗的轨道机动。此类带电航天器称为洛伦兹航天器。洛伦兹航天器可主动调节其表面带电与周围磁场相互作用产生洛伦兹力用以进行轨道控制。洛伦兹力的方向始终与当地磁场方向及航天器与当地磁场相对速度方向垂直。尽管存在洛伦兹力作用方向局限性,洛伦兹航天器在空间任务中的应用前景依然广阔。论文以系统分析设计洛伦兹航天器空间应用为目的,对洛伦兹航天器绝对轨道与相对轨道运动进行建模,并将其应用于洛伦兹力辅助悬停、洛伦兹力推进交会与编队构型重构等空间任务。首先,假设地磁场为一随地球自转的倾斜磁偶极子,基于Lagrange动力学方程建立了二体与J2摄动条件下洛伦兹航天器绝对轨道运动动力学模型。将洛伦兹加速度引入航天器相对运动方程,建立了二体与J2摄动条件下洛伦兹航天器相对运动动力学模型,并推导了倾斜圆参考轨道相对运动的近似解析解。与现有相对运动模型相比,该模型更符合地磁场特性,因而精度显著改进。然后,研究了适用于洛伦兹航天器的相对运动状态估计算法。基于建立的洛伦兹航天器相对运动模型,联合视线测量系统与陀螺测量系统,分别设计了扩展Kalman滤波(Extended Kalman Filter,EKF)与无迹Kalman滤波(Unscented Kalman Filter,UKF)算法。对比分析结果表明由于洛伦兹力的引入增加了模型非线性程度,UKF估计精度更高。最后,以洛伦兹航天器相对运动模型为基础,研究了洛伦兹力辅助悬停、洛伦兹力推进交会与洛伦兹航天器编队飞行等空间应用。1.洛伦兹力辅助悬停研究分析了采用洛伦兹力辅助航天器悬停的动力学特性与控制方法。建立洛伦兹力辅助悬停动力学模型用以分析悬停所需开环控制加速度。基于该模型,给出了可实现无推进工质消耗悬停的悬停构型及所需洛伦兹航天器荷质比。对其它悬停构型,基于悬停能量最省准则设计最优开环控制策略,即给出能量最优条件下洛伦兹航天器荷质比与推力器推力加速度最优轨迹,并对轨道倾角对能量消耗的影响进行分析。此外,设计了适用于无推进工质消耗悬停构型的仅用电量作为控制输入的闭环反馈控制律。仿真算例验证了开闭环控制策略的有效性与正确性,结果表明对低轨道空间目标在其径向数公里内悬停所需的荷质比为0.1 C/kg数量级。同时,分析了J2摄动对洛伦兹力辅助悬停的影响。2.洛伦兹力推进交会分析了基于现有线性化模型设计的交会策略的局限性,并针对该交会方法设计了闭环lqr控制器。基于提出的洛伦兹航天器相对运动模型,将洛伦兹力推进的空间交会问题描述成非线性约束优化问题。利用gauss伪谱法(gausspseudospectralmethod,gpm)将该非线性约束优化问题转化为非线性规划问题(nonlinearprogramming,nlp),并采用相应的优化方法进行求解。分交会终端时刻固定与终端时刻自由两种终端条件进行比较分析,仿真算例验证了gpm在解决洛伦兹航天器空间交会轨迹优化问题的有效性与正确性。同时,分析了j2摄动对洛伦兹航天器空间交会最优轨迹的影响。3.洛伦兹航天器编队基于近圆参考轨道洛伦兹航天器相对运动模型分析了洛伦兹力推进的航天器编队构型建立与重构问题。同理,将洛伦兹航天器编队构型建立与重构问题描述成非线性约束优化问题,采用gpm将其转录成nlp,并采用优化方法求解。终端约束条件分为两类,一类为唯一指定满足编队构型条件的末端时刻相对运动状态,另一类并不唯一指定末端相对运动状态,只需其满足编队构型条件即可。分别求解两类约束条件下,以控制能量最优为指标的实现洛伦兹航天器编队构型建立与重构所需的洛伦兹航天器最优控制轨迹,并对两类约束条件下的结果进行对比分析。论文对洛伦兹航天器轨道动力学模型及其空间应用进行系统研究,建立了大磁轴倾角条件下的绝对轨道运动与相对运动模型,提出了适用于洛伦兹航天器的相对导航算法,分析设计了洛伦兹航天器在不同空间任务中的控制方法,对未来无推进工质消耗空间任务设计分析具有参考价值。
【关键词】:洛伦兹航天器 相对运动 悬停 交会 编队飞行 轨迹优化 最优控制
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:V412.4
 
论文编号BS2246586,这篇论文共30
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