航天器编队飞行姿轨耦合控制研究.pdf

摘要

随着航天器编队飞行任务逐年增加、控制要求日益提高，对航天器建模控制

方式也有了新的需求，尤其对编队飞行航天任务的控制精度要求更为严苛。针对

这些问题，本文区别于以往分部设计控制器的方法，即以对偶四元数理论为基础

设计航天器姿轨耦合控制器与编队姿态跟踪控制器，并对飞行任务中涉及的姿轨

耦合、姿态自适应控制器设计、编队控制等问题进行了深入的研究，具体研究内

容如下：

在空间交会背景下，运用对偶四元数的数学理论解决姿态转换时的奇异性问

题，以其为基础推导出姿轨耦合动力学模型，并对该模型中存在的姿轨耦合难题，

进行逐步的分析，具化为两航天器间相对位姿耦合控制。

基于对偶四元数的两航天器间相对位姿耦合模型，设计了一种PD控制器，并

通过Lyapunov理论验证了该控制器的稳定性，以航天器间的相对位姿交会对接任

务为实验背景，通过具体实例论证控制器的效果，同时实验结果也检验了控制律

的正确性。为进一步降低实验中控制力与控制力矩的饱和性，在该控制器的基础

上添加了自调整参数，改变以往固定参数的方法，通过仿真结果验证了添加自调

整参数后，控制器系统的饱和度降低，达到了实验预期；考虑了航天器在轨运行

条件下，姿轨运动会受到外部扰动的影响，因此设计了抗外部扰动控制器，仿真

结果也验证了姿轨耦合模型在抗外部扰动控制器作用下，在扰动条件下实现控制

系统的稳定性。

针对航天器编队控制策略问题，设计基于分散式控制的编队姿态协同控制，

编队成员间同时存在通信渠道，将获得的姿态信息通过有向通信的方向传递给其

他成员航天器，设计了一种姿态自适应控制器，达到多航天器姿态协同的目的，

并抑制了外界干扰的影响。在基于四元数理论的航天器姿态模型条件下，理论验

证了自适应控制器设计的可行性，同时通过仿真结果验证自适应控制器的优越性，

实现了编队航天器姿态协同控制。

关键词:对偶四元数；PD控制；参数自调整；自适应；编队飞行

Abstract

Withtheincreasingnumberofspacecraftformationflyingmissionsandthe

increasingcontrolrequirements,thereisanewdemandforspacecraftmodelingcontrol

methods,especiallyforthecontrolprecisionofformationflyingspacemissions.Tosolve

theseproblems,thispaperisdifferentfromthepreviousmethodsofpartialcontroller

design,thatis,thedesignofspacecraftattitudeorbitcouplingcontrollerandformation

attitudetrackingcontrollerbasedondualquaterniontheory,andconductsin-depth

researchonattitudeorbitcoupling,attitudeadaptivecontrollerdesign,formationcontrol

andotherproblemsinvolvedinflightmissions.Thespecificresearchcontentisasfollows:

Underthebackgroundofspacerendezvous,adualquaternionmathematicaltheory

isusedtosolvethesingularityproblemofattitudeconversion.Basedonthedual

quaternionmathematicaltheory,adynamicmodelofattitudeandorbitcouplingisderived,

andtheproblemofattitudeandorbit