航天器電磁編隊(duì)動(dòng)力學(xué)與控制研究.pdf

1、航天器編隊(duì)是開展復(fù)雜空間任務(wù)新的航天器應(yīng)用模式，代表了航天科技發(fā)展的前沿與重點(diǎn)方向。航天器電磁編隊(duì)通過(guò)在各航天器上安裝電磁線圈，利用通電磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的星間電磁力/力矩來(lái)控制各航天器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，不僅可有效避免傳統(tǒng)推力器方式所固有的推進(jìn)劑消耗、羽流污染、光學(xué)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(shì)；電磁編隊(duì)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(yīng)用價(jià)值，在空間觀測(cè)、對(duì)接組裝、非接觸在軌操控等領(lǐng)域具有

2、廣泛的應(yīng)用前景。針對(duì)航天器電磁編隊(duì)的動(dòng)力學(xué)與控制問(wèn)題，論文開展了電磁編隊(duì)動(dòng)力學(xué)建模、相對(duì)平衡態(tài)分析、不變構(gòu)形設(shè)計(jì)、協(xié)同軌跡規(guī)劃以及6-DOF控制研究。
　?。?）航天器電磁編隊(duì)動(dòng)力學(xué)及其相對(duì)平衡態(tài)?；诖排紭O子假設(shè)推導(dǎo)了電磁力/力矩的遠(yuǎn)場(chǎng)模型與誤差特性；考慮到動(dòng)力學(xué)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(xué)方法推導(dǎo)了電磁編隊(duì)各航天器的相對(duì)軌跡/姿態(tài)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型，并分析了主要外界干擾影響；基于多體動(dòng)力學(xué)原理，將電

3、磁編隊(duì)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(duì)6-DOF耦合動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)比分析兩種建模方法的適用性準(zhǔn)則。通過(guò)分析一般電磁編隊(duì)系統(tǒng)的相對(duì)平衡態(tài)，推導(dǎo)得到了圓軌道約束下星間電磁力作用實(shí)現(xiàn)靜態(tài)編隊(duì)的必要條件，為后期電磁編隊(duì)構(gòu)形設(shè)計(jì)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(duì)及其穩(wěn)定性。考慮雙星電磁編隊(duì)的共線構(gòu)形對(duì)Kane模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，分別推導(dǎo)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(dòng)力學(xué)模型；通過(guò)分析相對(duì)平衡態(tài)給出了三種靜態(tài)編隊(duì)下電磁力作用方式與構(gòu)形條件，進(jìn)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(kuò)展研究雙星自旋編隊(duì)，得出常值磁矩作用下自旋編隊(duì)存在的充要條件是處于深空環(huán)境，并進(jìn)一步針對(duì)其構(gòu)形條件、耦合性與穩(wěn)定性進(jìn)行研究。
　　（3）三星電磁編隊(duì)不變構(gòu)形及其穩(wěn)定性。由于三星電磁編隊(duì)同時(shí)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(dǎo)了不同構(gòu)形下的六自由度Kane動(dòng)力學(xué)模型。兩兩磁偶極子的疊加耦合是影響相對(duì)平衡態(tài)分析與磁矩設(shè)計(jì)的重要因素。對(duì)于三星共線構(gòu)形，基于相對(duì)平衡態(tài)下電磁力矩約束對(duì)應(yīng)的三種磁矩條件，分別針對(duì)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(duì)于三角形構(gòu)形，基于角動(dòng)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(duì)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(duì)不變構(gòu)形的穩(wěn)定性與能控性。
　?。?）星間電磁力作用的編隊(duì)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(duì)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(guò)將個(gè)體期望速度定義為一系列表征編隊(duì)內(nèi)部/外部影響的行為速度函數(shù)矢量和，設(shè)計(jì)了基于ES機(jī)制的考慮外部環(huán)境影響的分布式運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法。結(jié)合星間電磁力作用建立了多航天器編隊(duì)協(xié)同軌跡規(guī)劃問(wèn)題，并給出磁偶極子分配的優(yōu)化求解策略，分別針對(duì)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(wèn)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。
　　（5）電磁編隊(duì)六自由度保持與重構(gòu)控制問(wèn)題。面向電磁編隊(duì)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(duì)保持與分散協(xié)同重構(gòu)控制研究。對(duì)于電磁編隊(duì)6-DOF保持，基于 Kane模型研究關(guān)于相對(duì)平衡態(tài)的跟蹤控制問(wèn)題，采用 LQR+ESO方法設(shè)計(jì)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(dǎo)控制律設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，針對(duì)電磁編隊(duì)6-DOF重構(gòu)，結(jié)合任務(wù)需求設(shè)計(jì)了期望繞飛構(gòu)形與姿態(tài)模式，基于矢量力學(xué)模型分別推導(dǎo)了各航天器的相對(duì)軌跡/姿態(tài)循環(huán)追蹤控制律，綜合ESO開展不同任務(wù)模式下電磁編隊(duì)重構(gòu)6-DOF魯棒分散協(xié)同控制研究。通過(guò)仿真驗(yàn)證了相應(yīng)控制律的有效性。
　　總之，論文通過(guò)對(duì)航天器編隊(duì)動(dòng)力學(xué)與控制問(wèn)題的研究，一方面為深化電磁編隊(duì)動(dòng)力學(xué)機(jī)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(duì)任務(wù)提供了基本控制