【摘 要】
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编队飞行是当今小卫星的发展趋势,构形重构是编队飞行的关键技术之一。编队飞行卫星构形重构过程本质上是一个相对运动轨迹规划问题。本文针对常值小推力作用下,能量最优的构形重构问题进行研究,主要研究内容如下:首先,基于螺旋运动理论,以对偶四元数为工具,对于姿态和轨道,分别考虑重力梯度力矩和J_2项摄动的影响和建立了编队飞行卫星相对运动姿轨耦合动力学模型。分析了姿轨耦合产生的原因,并通过仿真对比给出了姿轨耦
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编队飞行是当今小卫星的发展趋势,构形重构是编队飞行的关键技术之一。编队飞行卫星构形重构过程本质上是一个相对运动轨迹规划问题。本文针对常值小推力作用下,能量最优的构形重构问题进行研究,主要研究内容如下:首先,基于螺旋运动理论,以对偶四元数为工具,对于姿态和轨道,分别考虑重力梯度力矩和J2项摄动的影响和建立了编队飞行卫星相对运动姿轨耦合动力学模型。分析了姿轨耦合产生的原因,并通过仿真对比给出了姿轨耦合的影响。然后,利用有限傅里叶级数方法对常值推力条件下能量最优构形重构过程的相对运动轨迹进行了快速设计,得到了转移轨迹解析解。并与高斯伪谱法进行了对比,验证了求解结果的正确性,也反映了该方法的快速性和有效性。接下来,对常值推力作用下构形重构问题进行了研究。因为只有一个推力器,所以只能通过规划姿态,调整推力方向,来实现构形变换。该部分以上一部分的结果来生成期望姿态曲线的初始估计,最后利用Legendre伪谱法成功求解了该问题。最后,利用间接法对该问题进行了求解。利用极大值原理推导给出了最优控制输入的表达式。给出了状态方程和协态方程的基本解阵。在此基础之上证明了协态变量初值满足归一化条件。然后,根据系统的Hamilton函数等于常数的条件,构造了关于协态变量初值的线性方程组。结合形状法结果对协态变量初值进行了估算。对所得结果进行优化,得到了精确的协态变量初值,成功的求解了该问题。最后使用同伦法将所得结果扩展到了一般椭圆轨道伴飞的情况。
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