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分离模块航天器是分布式航天器系统的创新应用,主要通过分离模块协同工作实现复杂大卫星的功能,既降低了整体式航天器的集中风险,又大大提高了其在轨运行的灵活性。为完成相关载荷操作并提高在轨生存能力,分离模块航天器姿轨控制系统面临更高要求。本文紧紧围绕分离模块航天器对姿轨协同控制提出的新需求,综合运用自适应控制、反步控制、一致性和循环追踪等理论和方法,重点围绕分离模块航天器姿轨协同控制方法开展研究,主要内容如下: (1)针对分离模块航天器姿轨控制数学模型构建问题,研究选取修正的罗德里格斯参数和欧拉角为姿态参数,欧拉方程为动力学模型,建立姿态控制数学模型。分析航天器相对运动CW方程并进行仿真研究,用矩阵方法得到相对轨道控制数学模型。 (2)针对分离模块航天器姿态指向、虚拟对接和姿态协同机动三个问题; ①设计模块航天器姿态指向自适应反步控制器,提高了模块航天器对目标的指向精度; ②设计主从式姿态协同控制器,将模块1的状态引入模块2的控制器,将不确定部分写成整体形式,并设计自适应律在线估计,实现了两模块姿态协同虚拟对接; ③应用图论和一致性理论设计姿态协同机动控制器,将转动惯量的不确定性集中到一个参数上,并设计自适应律在线更新,在控制器中设计补偿项以克服外界干扰,提高了控制器的鲁棒性。 (3)针对分离模块航天器队形保持、协同轨道转移、协同在轨集合分散和抗饱和控制四个问题; ①分别设计队形保持的重复学习控制器和自适应控制器,有效消除了模块航天器累积的轨道偏差; ②基于虚拟结构方法设计自适应滑模姿轨耦合控制器,实现了分离模块航天器整体协同轨道转移,解决了传统方法采用PD控制设计虚拟结构控制器所带来的稳态误差等问题; ③基于循环追踪理论设计分布式在轨集合、分散控制器,有效提高了分离模块航天器在轨生存能力; ④通过合理运用双曲正切函数,设计抗饱和轨道机动控制器,能够有效克服执行机构饱和的影响。 (4)针对分离模块航天器姿轨协同控制方法的仿真验证问题,设计了分离模块航天器姿态协同控制仿真软件和模块航天器姿态控制半物理仿真系统软件,从功能上进一步完善了分离模块航天器姿轨协同控制仿真系统,可以验证分离模块航天器姿轨协同控制系统的稳定性,并能为工程实践提供有力的数据支撑。 本文从理论上突破复杂空间环境下分离模块航天器姿轨协同控制技术,开发了可以对上述技术进行仿真验证的软件平台,为分离模块航天器在轨运行控制提供支撑。