论文总字数：24531字

摘 要

航天器编队，是由多个航天器组成的系统。航天器之间可以相互通信，协同配合完成某个特定的任务，也就是执行地面控制总部发出的指令。而航天器编队能否完成任务的关键，相对轨道协同控制是重中之重。

本文首先简要介绍了相对轨道控制的基础理论概念，包括常用于分析轨道位置的三种坐标系、自适应控制理论、图谱理论、稳定性理论；接着，基于自适应反步法，设计了两种不同情况下的控制器。第一个是针对航天器质量不能确定，控制受限制的情况下，设计自适应控制器，验证其满足稳定性理论；第二个在考虑控制受限和参数不确定的情况之下，同时考虑外部干扰设计了相应的控制器，利用仿真程序，验证控制是否有效。

关键词：编队飞行 协同控制 反步法 自适应方法

Relative orbit control based on adaptive method

Abstract

Spacecraft formation is a system composed of multiple spacecraft. Spacecraft can communicate with each other and cooperate with each other to complete a specific task, that is, to execute the command issued by the ground control headquarters. The key to the mission of spacecraft formation is relative orbit cooperative control.

Firstly, this paper introduces the basic theory of relative orbit control, including three coordinate systems, adaptive control theory, graph theory and stability theory, which are commonly used to analyze orbit position; secondly, based on adaptive backstepping, two controllers under different conditions are designed. The first is to design an adaptive controller for the case that the mass of the spacecraft is uncertain and the control is limited, so as to verify that it meets the stability theory; the second is to design a controller for the case that the control is limited and the parameters are uncertain, and at the same time, consider the external interference, and use the simulation program to verify whether the control is effective.

Key Words:Formation flying; Collaborative control; Backstepping ; Adaptive method

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1研究的背景和意义 1

1.2航天器编队协同控制概述 2

1.3轨道控制的研究现状 3

1.4本文的主要内容 4

第二章 航天器编队相对轨道控制理论基础 5

2.1引言 5

2.2参考坐标系 5

2.2.1惯性坐标系 5

2.2.2本体坐标系 6

2.2.3轨道坐标系 6

2.2.4坐标系转换 6

2.3自适应控制理论 7

2.4图谱基础理论 8

2.5稳定性理论 8

2.5.1Lyapunov稳定性理论 8

2.5.2Lyapunov稳定性判据 10

2.6Barbalat引理 11

第三章 基于反步法的航天器编队自适应相对轨道控制 12

3.1引言 12

3.2问题描述 12

3.3队型协同跟踪控制器设计 13

3.3.1反步法控制器设计 13

3.3.2鲁棒自适应控制器设计 16

3.3.3仿真验证 18

总结与展望 23

参考文献 24

致 谢 27

第一章 绪论

1.1研究的背景及意义

如今，随着现代科学的不断发展，带动了经济社会的迅速进步。快速发展的航天技术使人类社会产生了巨大的变革，不断的影响着人们的日常生活，航天技术所承担的军事和科研任务也与人们的生活息息相关，包括气象、地理、导航、海洋、通信、定位以及空间探测等诸多方面^[1]。但随着科学技术的发展，人们进一步探索太空，开始面临着越来越艰巨的太空任务，随之而来的是对航天器性能要求的不断提高。为了满足要求，保证较高系统性能，单一航天器只能越来越复杂，研究周期不断延长，研发成本也在大幅度提高，单个航天器几乎已经无法满足实际工程的需求，因此航天器编队技术才是未来发展的趋势。

航天器群编队飞行，就是把大量正处于运行中的航天器组合为一个整体，这些航天器本来没有物理上的连接，但是可以依照发出的指令信息，共同配合完成各项任务。它们通过互相通信交流，虽然看起来是一个整体，但是每个航天器之间又是相互独立的。

目前，世界上各个航空航天大国已经开始重视航天器编队技术。传统的单个航天器已经无法满足执行复杂太空任务的需求。航天器编队具有显著的优势，体积小、质量轻、可靠性高。更为重要的是，航天器的编队飞行技术在实验室研发、军事航空侦查、未知宇宙探测等方面都有着广泛的应用前景，航天器编队也将会在这些领域发挥着越来越重要的作用^[2]。

航天器编队的飞行模式与单个航天器相比也大不相同，单个航天器只能保持它是一个单独的个体。这时，航天器编队就显得特别灵活方便，它们可以组合成各种各样的形状，不同的工作模式对应着不同的队形，还可以相互配合，协同工作。此外，航天器编队的可靠性能也很高，除了它们自身就很可靠之外，在航天器编队系统中，当某一个航天器突然运行故障时，如果是单个航天器的话，单个航天器只能依赖自身的性能，要是其本身出现什么意外情况，就面临着报废，成为太空垃圾的一部分，而航天器编队则不会有这样的担心，因为航天器编队会准备冗余的航天器替换故障航天器，其功能还是处于原来的状态。这样，就不用担心因为一个航天器，而使整个编队系统的任务没有完成。

航天器编队之所以能够高效率的完成各种复杂的任务，有效的控制技术是关键。此外，航天器编队的协同控制也不可忽略，它是每个航天器能够在轨正常运行的重要条件，其重要性不言而喻。协同控制技术的选取取决于具体的工程任务和不同情况，设计合理的控制方案。

1.2航天器编队协同控制概述

航天器编队的协同控制，是指在航天器编队控制系统中，各个航天器之间可以通过相互之间的通信来完成某种行为的过程^[7]。按照编队的工作方式，可以划分为集中式和分布式^[8]。

请支付后下载全文，论文总字数：24531字