航天器悬停特性分析与控制方法分析

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1、摘要航天器悬停技术将成为未来航天器在轨服务的重要支撑技术。为实施应急救援、在轨维护、在轨监视、模块更换、在轨加注、轨道清理、非合作目标操作等方面的任务提供重要的技术支持。本文分析了航天器悬停的轨道特性，并对航天器悬停构型保持的控制方法进行了研究。重点讨论了任务航天器相对于FI标航天器实现悬停的轨道设计方法和实施途径，并提出了一种保持航天器悬停构型稳定的控制思路。全文的工作主要包括以下几个方面的内容：给出了航天器悬停定义的描述方式。在相对运动坐标系中，采用悬停距离、悬停方位角和悬停俯仰角对任务航天器悬停位置状态进行描述。研究了任务器相对于圆轨道、椭圆轨道航天器悬停的补偿运动学方法。对任务器

2、相对于圆轨道、椭圆轨道目标器实现任意位置悬停飞行分别进行了受力分析,推导出了任务器保持悬停构型需要的标称控制加速度和速度增量的计算公式，给出了悬停具体实施途径。在推导公式的过程中，并未使用任何形式的近似简化，可认为最后得到的计算公式是精准的。通过仿真计算，对不同工况悬停任务的能量需求进行对比分析，认为航天器实现悬停是可行的。对任务航天器相对目标航天器悬停的轨道动力学方法进行了研究。基于航天器相对运动动力学原理，建立任务器和冃标器绝对加速度之差的表达式，根据悬停的定义，以椭圆轨道目标器为对象，给出了任务器对目标器进行悬停飞行的设计方法。并与补偿运动学方法进行对比验证，仿真结果表明此种计算方

3、法满足精度要求。该方法适用于任务器相对椭圆轨道、圆轨道目标器进行任意位置悬停的轨道设计。最后，对航天器悬停构型的保持进行了控制方法研究。以T-H方程作为状态方程，采用LQR控制方法，针对悬停状态存在初始位置偏差和速度偏差的情况进行了控制器设计。仿真结果表明文中设计的控制系统可以使得任务器快速、准确地到达期望的悬停位置并保持悬停构型稳定。航天器悬停轨道特性与控制方法是航天器悬停技术研究的基础，本文所做的工作为航天器悬停前的接近技术研究和悬停轨迹安全分析等打下了一定基础。尖键词：悬停轨道悬停构型保持标称控制加速度偏差控制加速度能量消耗T・H方程LQR控制ABSTRACTHoveringtec

4、hnologyofspacecraftwillbecometheimportantsupportforfutureon-orbitservicing,suchasurgentrescue,on-orbitmaintenance,on-orbitsurveillance,modulereplacement,on-orbitinjection,orbitclearingandoperationonuncooperatetarget.Theorbitalcharacteristicsofhoveringspacecraftwereanalysedinthisdissertation,andth

5、econtrolmethodforkeepingspacecrafthoveringformationwasresearched・Themeansofdesigninghoveringorbitandthewaytoperformthehoveringmissionbetweenthemissionspacecraftandtargetspacecraftwerediscussed.Besides,ameasureforkeepingspacecrafthoveringformationstablewasgiven.Themainworkandachievementsinthisdiss

6、ertationaresummarizedasfollows:Firstly,thedefinitionofspacecrafthoveringwasprovided・Thehoveringdistance,azimuthangleandpitchinganglewerechosentodescribethemissionspacecraft'shoveringlocationanddirectionintherelativemotioncoordinate.Then,thekinematicmethodformissionspacecrafthoveringaroundatargets

7、pacecraftwhichoperateonacircularoranellipticalorbitwasstudied.Throughdynamicsanalysis,theformulastocalculatethestandardcontrolaccelerationandspeedincrementforkeepinghoveringstatewrepresented・Furthermore,thewaytocarryou