摘要
基于无拖曳控制的科学卫星平台是探索有关大地测量学和空间基础物理的重要工具，卫星平台可实现测量依赖的超低干扰空间环境。相较于一般的标准姿态和轨道控制系统，无拖曳控制系统能提供额外的试验环境：非保守加速度最小化。特别对于当前实验物理前沿的空间引力波探测计划，每颗航天器上含有两颗检验质量，无拖曳控制形式更为复杂。因此，两颗检验质量条件下航天器的高精度无拖曳控制技术是一项需要提前攻克并充分验证的关键技术。 本文针对空间引力波探测计划“天琴”的需求，对两个检验质量与单颗航天器之间的相对运动与控制进行了详细分析与建模，着重考虑了平面内3个物体之间的运动控制关系，并且开展了可视化仿真系统研究，在理论上实现了两颗检验质量条件下航天器无拖曳控制的科学目标。为无拖曳控制系统的验证、仿真与演示提供重要参考。本文主要研究内容如下： 首先，以单颗航天器与其搭载的两个检验质量为研究对象，定义了基础矢量和坐标系及其转换，然后分别对二维平面内航天器与两个检验质量的运动进行了详细的动力学建模，得出包含以三个刚体9个自由度为输入以及以传感器检测的7个自由度为输出的线性化平面运动模型。 然后，对航天器与两颗检验质量平面动力学进行了控制设计分析。根据引力波探测航天器的基本原理，提出了将对角矩阵解耦法应用于存在交叉耦合的无拖曳控制系统的方法，并且进行了相应的仿真与验证，同时给出了无拖曳控制解耦的物理含义。最后分析和说明了姿态控制、无拖曳控制、静电悬浮控制各个控制回路之间存在的动态耦合。 最后，对平面内单颗航天器与两个检验质量之间的无拖曳运动控制进行了可视化仿真。基于SolidWorks等3D建模软件对航天器和两个惯性传感器进行了模型设计，并提出使用3D模型与Simulink联合仿真对运动与控制关系进行可视化仿真的方法。最终建立了平面无拖曳运动控制可视化仿真系统，实现了数值与图形的联合仿真。该技术的实现为引力波探测卫星的无拖曳控制系统提供了一个可视化的参考，为天琴等国内外引力波探测提供可视化工程技术和仿真应用。
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