《日地系統平動點附近混合編隊飛行動力學與控制》是依託大連理工大學,由蔡志勤擔任醒目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：日地系統平動點附近混合編隊飛行動力學與控制
- 依託單位：大連理工大學
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：蔡志勤
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
平動點附近軌道衛星系統在深空探測中有巨大的套用前景，研究多個太空飛行器在平動點附近軌道上的自由編隊以及繩系衛星編隊的動力學與控制，在國內外都是新課題。本項目擬對基於平動點附近軌道上的自由衛星與繩系衛星的混合編隊系統動力學與控制進行研究，基於Hill限制性三體問題，採用柔性繫繩模型，建立描述母衛星軌道運動，子衛星相對母衛星的姿態運動以及繫繩振動的耦合動力學模型；通過無控制力作用下系統動力學的數值仿真，研究影響系統穩定性的各種關鍵因素，深入了解平動點附近混合編隊系統運動的特點；結合自由編隊的軌道控制以及繩系衛星的姿態與繫繩振動的控制方法，探索高效、精密、實時、易行的非線性系統控制方法，實現對軌道運動，構型保持以及繫繩振動的混合控制，進一步還可考慮編隊重構階段的動力學與控制。為我國未來的深空探測、空天安全提供理論與技術儲備，促進動力學與控制的基礎理論與套用研究。
結題摘要
位於平動點附近的太空飛行器編隊飛行，可實現若干新型的空間科學任務，進一步提升人類深空探測的能力。與近地軌道衛星的大量研究文獻相比，目前平動點附近的繩系衛星動力學與控制的相關文獻相對較少，有關混合編隊的就更少了, 且通常假設姿態運動和系統質心的軌道運動不耦合。本項目取得了如下幾項主要研究成果：(1) 基於Hill限制性三體問題，考慮姿-軌耦合，建立日-地系統平動點附近多體繩系衛星編隊系統的非線性耦合動力學模型，系統由位於中心的母衛星與n顆子衛星通過可變長度繫繩連線成輪輻狀, 可用於靜態/動態編隊的動力學分析和控制器設計，包括具有繩長不變的留位階段以及繩長可變的重構(展開/回收) 階段；(2) 針對母衛星非常接近平動點的繩系靜態編隊系統，利用完全非線性時變動力學方程作數值仿真，對各衛星具有相同初始位置的繩系編隊和自由編隊穩定性進行對比，並研究靜態編隊處於留位以及重構階段的耦合動力學；(3) 針對母衛星位於較大Halo周期軌道上的繩系動態編隊系統，利用完全非線性時變動力學方程作數值仿真，研究動態編隊處於留位以及重構階段的耦合動力學；(4) 基於最優控制理論的非線性最優跟蹤控制方法，即近似序列Riccati方程方法(ASRE)，通過引入區段混合能矩陣和精細積分法，對ASRE進行精細求解，設計了平動點周期軌道的非線性留位控制器。在相同參數下，與基於平動點線性化系統方程的LQR的控制效果比較，結果表明，非線性跟蹤控制方法在控制較大平動點周期軌道中，具有跟蹤精度高，節省燃料，減小計算時間等方面的優越性；並且研究位於日-地系統L2點附近較大Halo周期軌道上的繩系動態編隊的軌道控制問題，通過數值仿真驗證控制算法的有效性；(5) 設計平動點軌道上自由編隊飛行的周期最優控制器，同時提出幾種求解周期Riccati微分方程的新算法以及求解天體動力學非線性兩點邊值問題的辛自適應算法；(6) 針對三角形繩系衛星編隊，考慮姿-軌耦合，建立日-地系統平動點附近繩系編隊系統的非線性耦合動力學模型，可用於動態編隊的動力學分析和控制器設計，包括具有繩長不變的留位階段以及繩長可變的重構階段。
