基于电磁理论的失效卫星消旋策略研究

论文摘要

卫星在轨服务与维修工作在世界范围内受到越来越多的关注,在该研究领域内也取得了巨大的进展。保证卫星在轨服务与维修过程中的安全性是一个难题。为了保证安全性,需要消旋作为在轨服务与维修的前置工作。本文针对失效卫星存在高速自旋和章动的运动特点,基于电磁消旋方法建立卫星在消旋过程中的动力学模型,对卫星在消旋过程中的姿态变化进行分析,验证,提出针对扁粗体与细长体特征卫星的不同消旋力施加方法,并对整个卫星消旋策略进行规划,仿真试验表明文中所提及的消旋策略的有效性。本文首先对当前国内外卫星消旋方法进行分析,基于卫星的动力学欧拉方程,探讨了一种消旋过程中在卫星本体固联坐标系下准确灵活地分析卫星姿态变化的方法。同时为了更好的探究消旋力对卫星的姿态影响,以一种典型的力施加方法,跟踪式消旋方法为例,研究该种消旋力施加方式对卫星章动角的影响,并通过理论分析、仿真实验来探究在这种消旋方法影响下卫星的姿态变化,并分析产生这种变化的原因。其次,探讨了一种能够在保证章动角稳定的前提下,消除细长体卫星动量的方法。首先基于跟踪式消旋方法产生该种姿态变化的分析结果,为了保持在消旋过程中细长体卫星的章动角保持相对稳定,对跟踪式消旋的力施加方式进行优化,得到跟踪式优化消旋方法。并对其进行仿真实验以验证其消旋效果。并通过研究其章动角表达式,确定了跟踪式优化消旋方法的使用条件,分析了这种消旋方法在实施过程中对细长体卫星章动角的影响特点。然后分析了非跟踪式消旋方法对扁粗体卫星的消旋作用效果。为了找到不满足跟踪式优化消旋方法使用条件的其他卫星的消旋方法,对非跟踪式消旋方法进行消旋过程姿态变化的理论研究与仿真实验,并确定该种方法的使用条件。最后,制定了扁粗体与细长体在整个消旋流程中的消旋力施加策略,对消旋流程进行了规划。使用在本文中经过改进的模拟退火算法优化章动角的上下限,以达到最短消旋时间、最少模式切换次数的优化目标,以达到预期消旋效果的目的,并对扁粗体与细长体的消旋方案进行整个过程的仿真实验,验证优化结果的有效性。

论文目录

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 课题背景及意义

1.1.1 在轨服务与维修

1.1.2 非合作目标的消旋

1.2 消旋的国内外研究现状及分析

1.2.1 国内外研究现状

1.2.2 研究现状小结

1.3 本文研究内容

第2章基于电磁消旋方法的卫星姿态分析

2.1 引言

2.2 卫星运动方程与章动角

2.2.1 卫星自由运动方程

2.2.2 章动角数学描述

2.3 跟踪式消旋方法姿态分析

2.4 跟踪式优化消旋方法姿态分析

2.5 非跟踪式消旋方法姿态分析

2.5.1 卫星姿态变化分析

2.5.2 消旋力变化对章动角影响证明

2.6 本章小结

第3章基于电磁消旋方法的卫星姿态预测仿真

3.1 引言

3.2 仿真模型建立及其自由运动仿真

3.2.1 扁粗体模型

3.2.2 细长体模型

3.3 跟踪式消旋方法仿真

3.4 跟踪式优化消旋方法仿真

3.4.1 最优频率验证

3.4.2 章动角变化验证

3.4.3 跟踪式优化消旋方法稳定极限验证

3.5 非跟踪式消旋方法仿真

3.5.1 章动角变化验证

3.5.2 非跟踪式消旋方法稳定极限验证

3.6 方案对比

3.7 本章小结

第4章电磁混合式消旋策略研究

4.1 引言

4.2 细长体消旋方案

4.2.1 细长体消旋任务分析

4.2.2 消旋过程模型建立

4.3 改进经典模拟退火算法

4.3.1 经典模拟退火算法

4.3.2 基于模型特点的模拟退火算法改进方案

4.3.3 改进模拟退火算法的应用

4.4 卫星消旋过程完整仿真

4.4.1 扁粗体消旋过程姿态变化仿真

4.4.2 细长体消旋过程姿态变化仿真

4.5 多阶段仿真验证

4.6 本章小结

结论

参考文献

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 蔡璧丞

导师: 樊绍巍

关键词: 卫星消旋,消旋方法,动力学分析,姿态预测,过程优化

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,航空航天科学与工程

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: O441;V467

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.001158

总页数: 78

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