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卫星网络系统的混杂动力学建模与仿真

作　者: 刘东
导　师: 史小平
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 混杂系统卫星网络建模仿真 GUI
分类号: V412.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 34次
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内容摘要

卫星网络系统是一个自由飞行分离模块化系统。自由飞行分离模块化系统是由多颗微小卫星组成的网络，在轨道中以紧凑队形运行。卫星网络中包含多颗电源卫星，通过无线能量传输系统为其他模块卫星供电。为了优化卫星网络的能量传输性能，必须先弄清楚各个卫星模块之间复杂的动力学关系，为此对如下内容进行详细研究：将卫星动力学及飞行过程中的能量变化视为连续动态行为进行联合建模；将能量管理和分配系统视为离散事件驱动的系统进行建模；对卫星网络进行合理的分层，把连续特性和离散特性进行结合，以混杂系统理论为研究基础，对整个卫星系统进行建模；利用计算机对上述模型进行仿真验证。首先，学习了卫星蓄电池阵的工作原理，对卫星蓄电池阵能量状态变化进行了研究。根据卫星网络系统整体能量连续性特点和各颗卫星空间飞行过程中能量变化连续性特点，分别建立了电源卫星和各颗职能卫星能量状态模型。分析了电源卫星与各颗职能卫星能量传输的关系和卫星网络系统在不同状态下能量模型的切换。把能量的连续特性和事件触发模型切换的离散特性相结合，以混杂系统理论为研究基础建立了卫星网络系统整体状态的混杂动力学模型。然后，分别在光照区、阴影区、有工作任务和无工作任务时，对卫星网络系统中各颗卫星的能量状态进行了仿真。应用Petri网的分析方法，分析了卫星网络系统的运行机制。应用Petri网相关知识，将卫星网络的不同工作状态描述为库所，转化条件描述为变迁。结合卫星网络运行模式，画出了卫星网络能量状态Petri网。其次，根据建立的Petri网，选择卫星网络在轨道周期内具有代表性的运行状态轨迹。Petri网的库所根据变迁按顺序排列，这些库所即是运行状态。然后，仿真了卫星网络系统在这些库所下的能量状态。最后，应用MATLAB GUI设计了卫星网络系统混杂动力学模型仿真软件。根据卫星网络能量状态的仿真要求，仿真界面中可以设置各颗卫星能量初值、工作任务区间和故障区间。仿真界面的建立，对卫星网络能量状态的分析和卫星网络系统的设计有重要的意义。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-15
  1.1 课题背景  9-11
    1.1.1 课题来源  9
    1.1.2 研究的目的与意义  9-11
  1.2 国内外研究现状及分析  11-13
  1.3 论文主要研究内容及章节安排  13-15
第2章卫星网络系统能量状态数学建模  15-30
  2.1 引言  15
  2.2 卫星网络系统的构成  15-18
    2.2.1 卫星网络的基本组成及运行模式  15-16
    2.2.2 卫星网络系统的能量传输模式  16-18
  2.3 卫星网络系统各颗卫星能量状态建模  18-24
    2.3.1 蓄电池阵能量状态分析  18-20
    2.3.2 电源卫星能量状态模型的建立  20-22
    2.3.3 成像卫星能量状态模型的建立  22-23
    2.3.4 通讯卫星能量状态模型的建立  23-24
  2.4 卫星网络系统整体能量状态建模  24-29
    2.4.1 光照区卫星网络能量状态建模  24-25
    2.4.2 阴影区卫星网络能量状态建模  25-26
    2.4.3 电源卫星存在故障时卫星网络能量状态模型  26-29
  2.5 本章小结  29-30
第3章卫星网络系统无故障运行时能量状态仿真  30-41
  3.1 引言  30
  3.2 电源卫星能量状态仿真  30-33
    3.2.1 光照区电源卫星能量状态仿真  30-31
    3.2.2 阴影区电源卫星能量状态仿真  31-32
    3.2.3 轨道周期电源卫星能量状态仿真  32-33
  3.3 成像卫星能量状态仿真  33-35
  3.4 通讯卫星能量状态仿真  35-36
  3.5 卫星网络整体能量状态仿真  36-40
  3.6 本章小结  40-41
第4章卫星网络系统出现故障电源卫星时能量状态仿真  41-70
  4.1 引言  41-42
  4.2 电源卫星出现故障情况分析  42
  4.3 成像卫星无工作任务时出现故障电源卫星仿真  42-52
    4.3.1 电源卫星 1 出现故障时卫星网络能量状态 Petri 网  42-44
    4.3.2 光照区出现故障且在光照区排除故障仿真  44-46
    4.3.3 光照区出现故障在阴影区排除故障仿真  46-48
    4.3.4 光照区出现故障轨道周期内未排除故障仿真  48-50
    4.3.5 阴影区出现故障且在阴影区排除故障仿真  50-52
  4.4 成像卫星在有工作任务时出现故障电源卫星仿真  52-64
    4.4.1 电源卫星 2 出现故障时卫星网络能量状态 Petri 网  52-54
    4.4.2 光照区进行成像工作任务时出现故障仿真  54-57
    4.4.3 阴影区进行成像工作任务时出现故障仿真  57-59
    4.4.4 进行成像任务时在光照区故障排除仿真  59-62
    4.4.5 进行成像任务时在阴影区故障排除仿真  62-64
  4.5 仿真软件的设计及开发  64-69
    4.5.1 起始界面  65-66
    4.5.2 单独卫星能量状态仿真界面  66-68
    4.5.3 卫星网络系统整体能量仿真界面  68-69
  4.6 本章小结  69-70
结论  70-71
参考文献  71-75
致谢  75

卫星网络系统的混杂动力学建模与仿真

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