非合作体附着下的组合多体航天器姿控方案研究

作     者：陈雪芬 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：康国华

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：非合作目标 惯量参数在轨辨识 变结构控制 非线性自适应控制 全物理仿真 

摘      要：在空间应用及空间对抗中,很多情况下涉及到非合作目标附着。由于非合作目标质量尺寸未知、运动形式未知,原航天器的姿态控制系统将面临很大挑战。为了解决非合作附着问题对姿态控制系统造成的干扰问题,本文以附着后新组合体姿态控制系统为主要研究对象,针对新组合体惯量参数未知的问题,分别采用惯量参数在轨辨识以及构造惯量估计两种方案来实现对惯量参数的获取,从而建立新组合体的动力学模型。基于新组合体动力学模型,本文开展了对非合作附着后新组合体姿态控制方案的研究。首先,通过对卫星动力学模型的分析,基于“整星零动量,利用动量轮以及速率陀螺进行惯量参数的在轨辨识。接着本文通过搭建的某卫星被非合作目标附着的仿真平台,对PD控制进行不同非合作附着情形下的仿真,并对控制效果进行分析。针对PD控制在非合作附着中的不足,本文基于惯量参数在轨辨识设计了变结构控制律,通过引入惯量参数敏感非合作附着后系统的惯量变化,实现对非合作目标附着后新系统的自适应控制。通过非合作附着仿真平台进行仿真分析,验证变结构控制对不同附着情形下新组合体姿态控制的有效性。其次,针对变结构控制以及PD控制在非合作附着后新组合体姿态控制系统中的不足,本文基于惯量估计的思想,提出了一种基于非合作组合体整体惯量估计的非线性自适应控制方案。通过该控制方案,不仅可以实现对非合作附着后的新组合体姿态控制,同时还可以估计新组合体惯量参数。同样通过非合作附着仿真平台进行不同附着情形下的仿真分析,验证非线性自适应姿态控制器,在非合作目标惯量未知、引入动量未知等恶劣附着情形下的自适应性。最后,基于三轴气浮台,进行非合作附着问题的器件全物理演示以及控制方案的验证。本文利用三轴气浮台在某时刻引入一带有未知动量、未知惯量的质量块来模拟卫星被非合作附着的问题。通过上述的全物理仿真平台演示新组合体在非线性自适应控制方案下的控制效果。最后,通过实际姿态数据分析,验证了非线性自适应控制器在实际非合作体附着后新组合体姿态控制系统的有效性。