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摘 要

随着当代航空航天事业的飞速发展，编队飞行，空间交会以及机动陪伴成为航天工程的主要研究项目。当下最热的研究莫过于相对空间，即从个体运动转向于多航天器运动的过程。航天事业的发展体现了一个国家的科技实力以及经济实力，在国家地位竞争中起到关键性作用，所以专家们越来越重视航天器相对运动的发展。

本文首先介绍了航天器相对运动和滑模变结构控制的相关概述，其次重点介绍了航天器相对运动三个参考坐标系以及两种建模方法，然后着重介绍了滑模变结构控制的相关知识以及主要解决的问题和解决方法，最后设计自适应滑模控制器来使得追踪航天器可以在有效时间内追踪期望位置并进行matlab仿真。

关键词：航天器相对运动；滑模控制；自适应滑模控制；动力学模型

Relative motion control of spacecraft based on sliding mode variable structure

Abstract

With the rapid development of modern aerospace industry, formation flight, space rendezvous and maneuvering companions have become the main research projects of aerospace engineering. The hottest research at the moment is in relative space, the process from individual motion to the motion of multiple spacecraft. The development of the space industry reflects a country's scientific and technological strength and economic strength, playing a key role in the competition for national status, so experts are paying more and more attention to the development of the relative motion of spacecraft.

This paper first introduces the relative movement between the spacecraft and the overview of the sliding mode variable structure control, secondly introduced three spacecraft relative motion reference coordinate system, and two kinds of modeling method, and then introduces the sliding mode variable structure control of relevant knowledge, and solve the main problem and solving method, finally the adaptive sliding mode controller is designed to make tracking spacecraft can track desired location in the effective time and matlab simulation.

Keywords: relative motion of spacecraft；sliding mode；adaptive sliding mode control；dynamic model

目 录

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1课题的研究背景及意义

1.2航天器相对运动相关概述

1.2.1航天器相对运动的定义

1.2.2航天器相对运动应用发展现状与趋势

1.3滑模变结构相关概述

1.3.1国内外滑模变结构的发展历程及研究现状

1.3.2滑模变结构的发展趋势

1.4本文的内容及结构安排

第二章 航天器相对运动的主要模型概述

2.1参考坐标系

2.1.1地心赤道惯性坐标系

2.1.2目标航天器地心轨道坐标系

2.1.3目标航天器质心轨道坐标系 （Hill坐标系）

2.2航天器相对运动建模方法

2.3航天器相对运动运动学模型的建立

2.3.1考虑摄动下的相对运动模型

2.4航天器相对运动的动力学模型的建立

2.5本章小结

第三章 滑模变结构控制的相关概述

3.1滑动模态定义及数学表达

3.2滑模变结构控制的定义及基本要求

3.3滑模变控制产生的抖振问题以及解决方案

3.3.1抖振问题产生的原因

3.3.2解决抖振问题的方案

3.4本章小结

第四章 设计自适应滑模控制器

4.1 普通控制器设计

4.2以航天器质量为未知量自适应滑模控制器设计

4.3 Matlab仿真验证

4.3.1 搭建Simulink模型

4.3.2 仿真参数设定

4.3.3 仿真结果

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 系统评价

5.3展望

参考文献

致谢

第一章 绪论

1.1课题的研究背景及意义

当前全球航天活动愈加频繁，科学家们对于太空的探索也在不断加深。各种航天活动随之出现，随着航天领域以及航天技术以及逐渐成熟，其发展也以及具有越来越重要的意义。越来越多的航天器被人们发送到外太空，一旦出现两颗或两颗以上的航天器在近距离范围内彼此协同工作时，航天领域的专家们就要考虑到这些航天器在执行任务时的工作形式，工作效率以及工作安全性。跟随着世界航天发展的脚步，中国的航天技术也迎来了一个春天。伴着神州1号到10号的成功发射，我国还开启了嫦娥系列的探月工程。航天器的相对运动是航天器从独立运动模式向多航天器协同模式发展^[1]的一个基本问题。

航天器技术可以体现了一个国家科技能力，经济实力和综合国力，同时也可以提升一个国家对世界的影响力。因此，对于航天器相对运动这个课题的研究也就显得尤为重要。牵涉到航天器绕飞、悬停等问题，那么这些航天器活动所必须的航天器相对运动的研究也就成为了一个很重要的课题，引起广泛的关注。

追溯滑模变结构控制的历史，它最早出现于上个世纪 60年代，经过世界上历代专家的研究，目前，滑模变结构控制^[2]的各个分支领域已经在长久时间的研究中逐渐的相对独立起来，而且这种设计方法已经被世界各方领域的专家重视并应用。滑模变结构控制的方法本身，可以根据自己的需要选取适当的控制律^[3]和滑模切换面^[4]。如此，系统的快速性和稳定性会得到相应的改善，并且也会获得很好的鲁棒性。因此，用滑模变结构去设计航天器是一个很好的思路。

1.2航天器相对运动相关概述

1.2.1航天器相对运动的定义

顾名思义航天器的相对运动是以一个航天器作为参考点，另一个航天器围绕这个参考点做相应的活动，它们构成了一个参考坐标系。简单的来说，在就是目标航天器上设置一个观察者，来观察跟踪航天器相对目标航天器的运动轨迹。在这个过程中，并不会有相互作用力在航天器之间产生，它们依旧是按照自己参照的中心做着自由运动。这种相对运动不是所谓虚构的相互作用力所影响的结果，而是我们视觉观察得出的结果。这类相对运动通常采用两种方式来描述，其一是直接给出位置矢量以时间或者是真近角为变量的函数，另一则便是给出的位置矢量的倒导数，即速度矢量来表示。

1.2.2航天器相对运动应用发展现状与趋势

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