基于Drag-Free的重力场测量卫星动力学与控制研究

基于Drag-Free的重力场测量卫星动力学与控制研究

论文摘要

利用卫星对重力场进行测量是重力场测量发展到现代的一个标志。而Drag-Free控制能够消除卫星的阻力,可以满足重力场测量对极低干扰环境的要求,是重力场测量卫星中的一项关键技术。提出并分析了基于Drag-Free重力场测量卫星的体系结构,建立了Drag-Free卫星的动力学模型,并分析其特性,基于H∞理论设计了Drag-Free卫星的控制器。本文主要工作包括以下几个方面:首先,在比较Drag-Free加速度计和位移两种模式特点和适用范围的基础上,提出基于Drag-Free加速度计和位移混合模式的重力场测量卫星体系结构。分析该体系结构下Drag-Free控制回路、质量块控制回路和卫星本体姿态控制回路的组成和实现原理。并研究支持Drag-Free技术的敏感器、执行机构和放电装置等多种部件的实现原理。其次,建立Drag-Free卫星的卫星本体和质量块的动力学模型,以及两者之间的相对运动动力学模型。基于Drag-Free卫星运行的特点,对卫星本体和质量块相对运动动力学模型和卫星本体姿态动力学模型进行合理简化。通过仿真分析简化对动力学模型精度的影响。并建立卫星本体和质量块受到的各种干扰力和干扰力矩模型。最后,研究将H∞设计理论与回路成形设计方法相结合的原理,分析基于H∞设计与回路成形设计相结合的H∞多灵敏度设计方法的特点、适用范围和设计过程。基于H∞控制系统设计理论对Drag-Free卫星控制器进行设计。将设计得到的控制器与建立的动力学模型组合起来,形成闭环回路,进行仿真验证。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 课题来源、目的与意义
  • 1.2 国内外研究现状及分析
  • 1.2.1 重力场测量卫星发展现状及趋势
  • 1.2.2 Drag-Free卫星控制系统体系结构研究
  • 1.2.3 Drag-Free卫星动力学建模方法研究
  • 1.2.4 Drag-Free卫星DFAC控制方法研究
  • 1.3 本文的主要研究内容
  • 第2章 地球重力场及随机信号基础理论
  • 2.1 引言
  • 2.2 重力场原理和对重力场测量卫星要求
  • 2.2.1 重力场测量发展历史
  • 2.2.2 重力场基本原理
  • 2.2.3 基于卫星进行重力场测量的方式
  • 2.2.4 重力场测量对卫星动力学与控制的要求
  • 2.3 Drag-Free卫星坐标系系统
  • 2.3.1 Drag-Free卫星坐标系建立
  • 2.3.2 坐标系间的相互转换
  • 2.4 随机信号基础理论
  • 2.4.1 傅立叶变换基本原理
  • 2.4.2 相关函数与功率谱密度
  • 2.5 本章小结
  • 第3章 Drag-Free重力场测量卫星控制系统体系结构研究
  • 3.1 引言
  • 3.2 Drag-Free卫星控制系统的发展
  • 3.3 基于Drag-Free的重力场测量卫星控制系统体系结构研究
  • 3.3.1 基于Drag-Free加速度计模式控制系统体系结构
  • 3.3.2 基于Drag-Free位移模式卫星控制系统体系结构
  • 3.3.3 基于加速度计和位移混合模式的重力场测量卫星体系结构
  • 3.4 Drag-Free控制系统组成及特点
  • 3.4.1 Drag-Free控制回路
  • 3.4.2 质量块控制回路
  • 3.4.3 卫星姿态控制回路
  • 3.5 本章小结
  • 第4章 基于Drag-Free重力场测量卫星的动力学模型及分析
  • 4.1 引言
  • 4.2 质量块动力学
  • 4.2.1 质量块动力学模型
  • 4.2.2 质量块动力学特性分析
  • 4.3 卫星本体与质量块相对运动动力学
  • 4.3.1 卫星本体和质量块相对运动动力学模型
  • 4.3.2 卫星本体和质量块相对运动简化模型
  • 4.3.3 Drag-Free卫星干扰及误差模型
  • 4.3.4 简化模型精度分析
  • 4.4 卫星本体动力学
  • 4.5 本章小结
  • ∞的Drag-Free重力场测量卫星控制方法研究'>第5章 基于H的Drag-Free重力场测量卫星控制方法研究
  • 5.1 引言
  • 5.2 基于回路成形的H∞控制研究
  • 5.2.1 H∞设计基本结构
  • 5.2.2 H∞回路成形设计方法
  • 5.2.3 混合灵敏度设计方法
  • ∞理论的Drag-Free控制系统设计'>5.3 基于H理论的Drag-Free控制系统设计
  • 5.3.1 控制对象设计模型
  • 5.3.2 控制系统要求
  • 5.3.3 控制器设计过程
  • 5.4 仿真设计及结果分析
  • 5.4.1 仿真方案设计
  • 5.4.2 仿真结果及分析
  • 5.5 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 攻读学位期间发表的学术论文
  • 致谢
  • 相关论文文献

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