小行星433Eros本体悬停轨道的稳定控制.pdf

第 １５卷第５期２０１７年１０月 动力 学 与控 制 学报 Ｖｏｌ．１５ Ｎｏ．５ １６７２⁃６５５３／ ２０１７／ １５⑸／ ４７６⁃５ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＤＹＮＡＭＩＣＳ ＡＮＤ ＣＯＮＴＲＯＬ Ｏｃｔ．２０１７ 小行星４３３ Ｅｒｏｓ本体悬停轨道的稳定控制∗ 林翰文　 曾祥远† （北京理工大学自动化学院，北京　 １０００８１） 摘要　 本文研究了近地小行星４３３Ｅｒｏｓ本体悬停轨道的稳定控制问题．文中用三轴椭球体模型近似Ｅｒｏｓ引力 场分布，建立了航天器在其引力场内的动力学模型，并且应用等加速度变截距时变滑模控制设计了悬停控制 器．该方法的滑模面选取与常规滑模控制不同，且不存在到达阶段．仿真分析从不同的初始条件和悬停条件入 手，验证控制器的有效性，并讨论了航天器的速度与控制加速度的幅值随滑模面切换时间的变化情况． 关键词　 ４３３ Ｅｒｏｓ，　 本体悬停，　 时变滑模控制 ＤＯＩ：　 １０．６０５２／ １６７２⁃６５５３⁃２０１５⁃０１１ 为了解决常规滑模控制的到达阶段没有鲁棒 引言 ［６］ 性这一问题，人们提出一种时变滑模控制 ．常规 人类对小行星的探索充满了热情，已先后开展 滑模控制中滑模面是预先根据期望的系统响应设 了多次探测活动，并进行了大量的理论研究，小行 计好的，没有考虑系统的初值，并且在系统响应的 星探测已经逐渐成为世界范围内的研究热点．１９９６ 整个过程中是恒定不变的．时变滑模控制采取了和 年２月１７ 日，美国国家航空航天局（ＮＡＳＡ）发射近 常规滑模控制不同的滑模面选择方法，主要区别 地小行星交会探测任务探测器“尼尔号”（ＮＥＡＲ）， 有：（１）时变滑模控制中滑模面的设计要考虑系统 成功绕飞并最终着陆４３３ Ｅｒｏｓ 小行星．２００３ 年 ５ 的初值，使得系统初值在初始时刻就位于所设计的 月，日本宇航局（ＪＡＸＡ）的“隼鸟号”（Ｈａｙａｂｕｓａ）探 滑模面上，不存在到达阶段；（２）在系统响应过程 测器成功发射，之后经过 ７ 年的努力，成功地在 中，滑模面不再是恒定不变的，而是随时间按照预 ２５１４３ Ｉｔｏｋａｗａ小行星上采集样本并于２０１０年返回 先设定好的规律进行变化．上述滑模面的设计要使 地球．欧洲空间局（ＥＳＡ）推出的登陆彗星的“罗塞 系统到达滑模面后能够获得期望的动力学性能．这 塔”（ＲＯＳＥＴＴＡ）任务，经过长达 １０ 年的飞行，于 样一来，在理想情况下，系统的相轨迹会始终停留 ［１］ 在滑模面上，进而改变了常规滑模控制在到达阶段 ２０１４年飞抵６７Ｐ 彗星 ． ［５］ 在小行星探测中，悬停飞行是一种非常重要的 没有鲁棒性的弱点 ． 探测方式，能够帮助人们获取小行星某一特定区域 本文首先给出近地小行星４３３Ｅｒｏｓ本体系（星 的外形及地貌分布信息等．同时，作为着陆和采样 体固连坐标系）定义和外部引力场模型，建立航天 返回等任务的关键一步，悬停探测甚至决定着任务 器在其引力场内的动力学方程；其次，用等加速度 的成败．由于小行星的引力场环境非常复杂，要实 变截距时变滑模控制方法设计了悬停控制器；最 现航天器在小行星引力场内的悬停，大多需要主动 后，选取不同初始条件和悬停条件进行数值仿真，