椭圆轨道太阳能发电卫星对日指向分布式控制

As a potentially renewable energy system, the solar power satellite (SPS) has received much attention. Current research mainly centers on the SPS in the geostationary orbit, and its ultra-large size and mass, and very long operating time could lead to new control problems as well. This project focuses on the SPS on the elliptical orbit, and proposes the distributed sun-pointing control methodology. The SPS is firstly considered as a large flexible body, and the sun-pointing dynamic model on the elliptical orbit is developed for the distributed control. Then, the coupling between orbit elements and sun-pointing and the influence on the pointing angles due to model parameters varying are discussed, and the time varying parameter on-orbit identification of the sun-pointing dynamics is proposed. Based on the identification results, a distributed adaptive control is studied to compensate the pointing error due to perturbations, uncertainties and parameters varying. The distributed robust adaptive controller, based on adaptive control and disturbance accommodating control, is further designed, which can suppress the vibration, and improve pointing accuracy and stability. The numerical simulation system of distributed control is finally developed to verify above model and methods. The proposed SPS sun-pointing control methodology appears to provide the active control of large space structure with a promising idea and solution.

太阳能发电卫星作为一种潜在的可再生能源系统得到了广泛的关注。目前的研究主要集中于地球静止轨道上的太阳能发电卫星，且其超大尺寸与质量、超长工作时间又带来了新的控制问题。本项目以运行在椭圆轨道的太阳能发电卫星为对象，研究对日指向的分布式控制方法。首先，将卫星当作大型柔性体，建立椭圆轨道太阳能发电卫星对日指向动力学模型。然后，分析模型中轨道要素与指向运动的耦合以及参数时变特性对指向角的影响，研究对日指向动力学模型时变参数的在轨辨识方法。基于辨识结果开展对日指向的分布式自适应控制方法研究以补偿摄动、时变以及不确定性导致的指向偏差；进一步结合自适应控制方法与扰动调节控制方法设计分布式鲁棒自适应控制器，以抑制结构振动的影响、提高指向精度与稳定度。最后，构建分布式控制数值仿真系统并验证上述模型与方法。本项目提出的太阳能发电卫星对日指向控制方法将为大型空间结构主动控制提供新的思路。

太阳能发电卫星作为一种潜在的可再生能源系统得到了国内外学者和机构的广泛关注。本项目针对现有结果的不足，开展了对日指向的分布式控制方法研究。首先，将太阳能发电卫星当作大型柔性体，基于拉格朗日方程建立了对日指向的动力学状态空间模型；分析了摄动对太阳能发电卫星在轨运动的影响，揭示了摄动作用下轨道-姿态-结构振动之间的耦合机理。其次，基于上述模型开展了太阳能发电卫星对日指向的分布式鲁棒控制方法研究。根据传感器和推力器分布式的配置方式，分别提出了对日指向的鲁棒时变LQR控制方法以及对日指向的分布式鲁棒共位控制方法。所提出的控制方法对外界干扰、结构参数变化/不确定性有较好的鲁棒性，且通过限制系统带宽可以有效避免由指向运动引起的结构振动。然后，针对太阳能发电卫星等大型空间结构，开展了姿态动力学时变参数在轨辨识方法研究。分别提出了基于深度学习算法的时变参数辨识方法，以及将转动惯量参数估计和柔性结构状态估计相结合的并发递推辨识方法，可以有效提高参数辨识精度、增强对噪声和参数不确定性的鲁棒性。最后，对于上述提出的模型和方法开展了数值仿真研究。本项目取得的研究成果可以为我国太阳能发电卫星或其它大型航天工程项目的启动和实施提供有价值的参考依据。