航天器電磁編隊動力學與控制研究.pdf

1、航天器編隊是開展復雜空間任務新的航天器應用模式，代表了航天科技發(fā)展的前沿與重點方向。航天器電磁編隊通過在各航天器上安裝電磁線圈，利用通電磁場相互作用產(chǎn)生的星間電磁力/力矩來控制各航天器的相對運動，不僅可有效避免傳統(tǒng)推力器方式所固有的推進劑消耗、羽流污染、光學設(shè)備干擾等不足，并且具有非接觸、連續(xù)、可逆與同步控制優(yōu)勢；電磁編隊技術(shù)相比其他星間非接觸內(nèi)力作用，具有更好的控制能力和更普遍的應用價值，在空間觀測、對接組裝、非接觸在軌操控等領(lǐng)域具有

2、廣泛的應用前景。針對航天器電磁編隊的動力學與控制問題，論文開展了電磁編隊動力學建模、相對平衡態(tài)分析、不變構(gòu)形設(shè)計、協(xié)同軌跡規(guī)劃以及6-DOF控制研究。
　?。?）航天器電磁編隊動力學及其相對平衡態(tài)?；诖排紭O子假設(shè)推導了電磁力/力矩的遠場模型與誤差特性；考慮到動力學分析與控制研究的不同側(cè)重與需求，采用牛頓-歐拉方程的矢量力學方法推導了電磁編隊各航天器的相對軌跡/姿態(tài)運動動力學模型，并分析了主要外界干擾影響；基于多體動力學原理，將電

3、磁編隊視為力元連接的自由多剛體系統(tǒng)，采用Kane方法建立了一般意義下多航天器電磁編隊6-DOF耦合動力學模型，并對比分析兩種建模方法的適用性準則。通過分析一般電磁編隊系統(tǒng)的相對平衡態(tài)，推導得到了圓軌道約束下星間電磁力作用實現(xiàn)靜態(tài)編隊的必要條件，為后期電磁編隊構(gòu)形設(shè)計與保持控制提供基本理論依據(jù)。
　?。?）雙星靜態(tài)/自旋電磁編隊及其穩(wěn)定性。考慮雙星電磁編隊的共線構(gòu)形對Kane模型進行簡化，分別推導了雙星沿軌道徑向、切向與法向分布的6

4、-DOF非線性耦合動力學模型；通過分析相對平衡態(tài)給出了三種靜態(tài)編隊下電磁力作用方式與構(gòu)形條件，進而給出磁矩配置模式與求解策略，并基于線性系統(tǒng)理論分析了各自的耦合特性、控制需求、穩(wěn)定性與能控性；在此基礎(chǔ)上擴展研究雙星自旋編隊，得出常值磁矩作用下自旋編隊存在的充要條件是處于深空環(huán)境，并進一步針對其構(gòu)形條件、耦合性與穩(wěn)定性進行研究。
　?。?）三星電磁編隊不變構(gòu)形及其穩(wěn)定性。由于三星電磁編隊同時存在一維共線構(gòu)形與二維三角形構(gòu)形兩種空間幾

5、何，分別推導了不同構(gòu)形下的六自由度Kane動力學模型。兩兩磁偶極子的疊加耦合是影響相對平衡態(tài)分析與磁矩設(shè)計的重要因素。對于三星共線構(gòu)形，基于相對平衡態(tài)下電磁力矩約束對應的三種磁矩條件，分別針對切向分布與法向分布，分析了靜態(tài)/自旋不變構(gòu)形存在的磁矩、幾何條件及其完備的解析解集；對于三角形構(gòu)形，基于角動量守恒條件給出了不變構(gòu)形的等腰三角形約束，鑒于磁矩求解的非解析性研究了特定約束下的靜態(tài)/自旋編隊不變構(gòu)形特解。采用線性系統(tǒng)理論以及數(shù)值方法討

6、論了各種三星電磁編隊不變構(gòu)形的穩(wěn)定性與能控性。
　?。?）星間電磁力作用的編隊協(xié)同軌跡規(guī)劃。從行為模型出發(fā)理論證明了自由環(huán)境與約束環(huán)境下基于行為策略的編隊內(nèi)聚性、收斂性以及穩(wěn)定性；依據(jù)內(nèi)聚性結(jié)論，通過將個體期望速度定義為一系列表征編隊內(nèi)部/外部影響的行為速度函數(shù)矢量和，設(shè)計了基于ES機制的考慮外部環(huán)境影響的分布式運動規(guī)劃方法。結(jié)合星間電磁力作用建立了多航天器編隊協(xié)同軌跡規(guī)劃問題，并給出磁偶極子分配的優(yōu)化求解策略，分別針對完全電磁力

7、作用以及混合推力作用開展多航天器協(xié)同軌跡規(guī)劃研究，討論了其適用性問題以及如何更廣泛、性能更優(yōu)地利用電磁力作用的途徑與方法。
　?。?）電磁編隊六自由度保持與重構(gòu)控制問題。面向電磁編隊飛行的非線性、不確定性、耦合性以及6-DOF控制需求，分別開展電磁編隊保持與分散協(xié)同重構(gòu)控制研究。對于電磁編隊6-DOF保持，基于 Kane模型研究關(guān)于相對平衡態(tài)的跟蹤控制問題，采用 LQR+ESO方法設(shè)計了線性反饋控制器。在給出循環(huán)追蹤控制律及其參數(shù)

8、整定方法與制導控制律設(shè)計的基礎(chǔ)上，針對電磁編隊6-DOF重構(gòu)，結(jié)合任務需求設(shè)計了期望繞飛構(gòu)形與姿態(tài)模式，基于矢量力學模型分別推導了各航天器的相對軌跡/姿態(tài)循環(huán)追蹤控制律，綜合ESO開展不同任務模式下電磁編隊重構(gòu)6-DOF魯棒分散協(xié)同控制研究。通過仿真驗證了相應控制律的有效性。
　　總之，論文通過對航天器編隊動力學與控制問題的研究，一方面為深化電磁編隊動力學機理提供了理論模型與分析依據(jù)，另一方面為更好地開展電磁編隊任務提供了基本控制