编队卫星相对轨道与姿态一体化耦合控制.pdf

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1、第42卷第1期2010年2月南京航空航JournalofNanjingUniversity天大学学报ofAeronautics&Astronautics编队卫星相对轨道与姿态一体化耦合控制吴云华曹喜滨张世杰邢艳军郑鹏飞(哈尔滨工业大学卫星技术研究所，哈尔滨，150080)V01．42NO．IFeb．2010摘要：采用单个连续小推力推力器以及反作用飞轮作为执行机构的编队卫星相对轨道与姿态耦合控制问题。采用单个连续小推力推力器时，相对轨道控制推力作用时间较长，同时在任意时刻或一段时间内推力矢量不能指向空

2、间任意方向，且其依赖于卫星当前姿态和姿态机动能力；一些编队任务对姿态确定精度有较高要求，为了能够提供较高的姿态测量精度，星敏感器应避免对准太阳。因此姿态动力学的非凸性和非线性使得编队耦合控制问题进一步复杂化。考虑以上约束，采用高斯伪谱法把连续控制问题直接转换成离散形式非线性规划问题。最后以双星编队队形初始化最优控制为例进行数学仿真，结果表明了该方法的有效性和实用性。关键词：编队飞行；耦合动力学；燃料最优，高斯伪谱法中图分类号：V448．2文献标识码：A文章编号：1005—2615(2010)01一0

3、013一08RelativeOrbitandAttitudeIntegratedCoupledControlforFormationSatelliteWuYunhua，CaoXibin，ZhangShijie，XingYanjUtl，ZhengPengfei(ResearchCenterofSatelliteTechnology，HarbinInstituteofTechnology，Harbin，150080，China)Abstract：Theproblemoftherelativeorbita

4、ndtheattitudecoupledcontroloftheformationsatelliteiSstudiedbyusingsinglebodyfixedlow—levelcontinuousthrusterandreactionwheels．Actually，theac—tiontimeofthethrusterismuchlongerfortherelativeorbitcontrolbyfllow—levelthruster，andthethrustvectorcannotpointo

5、utinanydirectionatacertaintimeorduringaperiodofthetimeinterval，thus，thethrustvectordependsonthecurrentattitudeanditsmaneuverabilityofthesatellite．Inpartic—ular，thestarcameracannotpointoutinthesunduringformationmaneuveringduetothehighattitudedeterminati

6、onrequirementofsomeformationmission．Theformationcoupledcontrolisadifficultprob—lemwithnonlinearandnon—convexattitudedynamics．Then，itiStransferredasflnonlinearoptimalcon-trolproblemviadirecttranscriptionusingtheGausspseudo—spectralmethod．Examplesdemonst

7、ratethattheproposedmethodiseffectiveforthesimulatedtrajectoryoptimizationofadual·-satelliteforma·-tioninitialization．Keywords：formationflying；coupleddynamics；fueloptimal；Gausspseudo—spectralmethod卫星编队飞行已成为美国空军实验室以及NASA宇航局的众多空间科学任务(如电子侦查、光学干涉等)的关键技术‘¨，通

8、常编队各卫星相互协同工作以实现传统单颗大卫星无法实现的空间任务‘21。为了完成科学任务目标，编队任务通常要求进行队形初始化或重构啪。对只安装单个推力器的编队卫星，6自由度相对轨道与姿态动力学之间的耦合以及推力和力矩幅值的限制使得编队队形控制为一项具有挑战性的工作。相对轨道与姿态动力学之间的耦合主要表现在子系统间的相互依赖、基金项目：国家自然科学基金(60704020)资助项目；2008全国博士学术论坛推荐优秀论文。收稿日期：2009—01—21；修订日期：2009—0