摘 要

卫星编队飞行技术是20世纪90年代被提出并且得到迅速发展，正因为人们对宇宙空间的探索兴趣的日益增长以及民用卫星与军事卫星的巨大作用，卫星编队技术凭借其技术优势与发展潜能，得到多方的关注与研究。而伴随而生的库仑卫星编队技术更是以其解决了现有推进系统的分离部件污染和近距离碰撞问题得到更多研究者的青睐。

本文主要研究在地球同步轨道（GEO）附近的库仑两星库仑编队的重构控制过程,由于GEO存在天然电磁场，带电库仑卫星可以在静电力作用下形成并维持稳定的几何构型，形成十几米量级的编队队形。当库仑卫星编队在飞行中突然遇到障碍物时，通过库仑卫星带电荷量的大小的变化，使用滑模控制方法，而使卫星在保持稳定性的基础上改变队形以通过障碍物。

论文使用滑模控制方法，通过对库仑卫星编队系统进行动力建模，得出卫星编队的控制方程，即系统的状态方程和输出方程，设计滑模控制器，并通过MATLAB仿真，得到库仑卫星编队各卫星在重构过程中的位置和速度的仿真结果。

关键词：库仑卫星编队飞行；滑模控制；MATLAB仿真；队形重构；

Abstract

In 1990，satellite formation flying technology has been proposed and developed rapidly, since people's interest in space exploration increased as well as the role of civilian satellites and military satellites. Satellite formation technology with its technical advantages and development potential, gets too much attention and research. With that the coulomb satellite formation technology is more and more interested by its solution exist the separation of the propulsion system components pollution and close collision problems.

This paper studies the two-craft coulomb formation of reconfigurable control near the geosynchronous orbit (GEO). Since the GEO has natural electromagnetic field, the charged coulomb satellite can be formed under the effect of electrostatic force and maintain the stability of the geometric configurations, forming the order of ten meters' formation. When coulomb satellite formation suddenly encountered obstacles during flying, buy changing the charge of satellites, using sliding-mode control method, it could transform the formation of satellites on the basis of maintaining stability to cross obstacles.

This paper used sliding-mode control, through dynamic model of coulomb satellite formation system, to obtain control equation of satellite formation. That is, the state and output equations of the system. After that, it designed sliding mode controller, and accomplished by MATLAB simulation. From the result of the simulation, it revealed that the formation could achieve the reconfiguration process by the sliding mode control.

Keywords：Coulomb satellite formation flying；Sliding Mode Control；MATLAB

simulation；Reconstruction.

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题研究的背景和意义 1

1.1.1 立题背景 1

1.1.2 研究的目的和意义 3

1.2 国内外研究现状 4

1.2.1 库仑编队的理论可行性研究 4

1.2.2库仑卫星编队实验过程 6

1.3 库仑卫星编队实际操作需要面对的问题 7

1.4 论文的主要研究内容 8

第二章 希尔模型下的动力学建模 10

2.1参考坐标系的建立 10

2.2库仑卫星编队飞行动力学模型的构建 10

2.3 库仑卫星编队飞行平衡条件推导 13

2.4 一般库仑两星编队飞行稳定性研究 14

2.5 本章小结 15

第三章 卫星编队的变结构控制 16

3.1 引言 16

3.1.1 滑模变结构控制简介 16

3.1.2 滑模控制的基本原理 17

3.1.3 滑模控制系统的性质 18

3.2 滑模变结构系统的设计 19

3.2.1 滑动平面的设计 20

3.2.2 滑模控制规律的选取 20

3.3 本章小结 21

第四章 库仑卫星编队滑模重构控制研究 22

4.1设计背景 22

4.2编队飞行滑模控制器的设计 23

4.3仿真结果及分析 24

4.3.1 仿真结果 24

4.3.2 仿真结果分析 26

4.4本章小结 26

第五章 全文总结 27

5.1结论 27

5.2研究展望 27

参考文献 28

致谢 30

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.1.1 立题背景

自从人造卫星的出现，截止到现在，人们已经陆续向太空发射数以千计的卫星，并且在科学研究，生活服务，军事监测产生了深远影响，人们已经越来越离不开卫星。到了20世纪80年代，由于人们不断提高对卫星技术的要求，传统大卫星已经无法满足所有的空间任务要求[1]，应运而生的现代小卫星技术便得到研究者的青睐，小卫星成本低，运行灵活，生存能力强等优点的存在，使得小卫星瞬间成为了国际上的主流。到了20世纪末期，人们开始涉足卫星编队飞行领域[2]。

随着人们的后续研究，人们发现，起初的编队飞行存在着很多难以克服的问题，其中提供卫星动力的能源供给与编队卫星之间的碰撞这些问题一直困扰着研究者。库仑库仑寻找新型的绿色能源代替已有的常规能源成为微小卫星研究的新热点。作为新能源之一的库仑静电力具有可再生、低能耗、高比冲等优点，因此对库仑编队卫星的研究也成为近些年的研究热点之一。

图1-1~图1-4是一些卫星编队飞行的图片资料。

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