近地轨道集群航天器电磁编队飞行非线性反馈控制方法

针对近地轨道集群航天器电磁编队飞行的动力学和控制问题, 提出了一种非线性反馈控制方法. 基于电磁力模型和地磁场模型, 分析了地磁场对近地轨道电磁编队的影响; 建立了集群航天器电磁编队高精度相对轨道动力学模型; 基于Lyapunov稳定性理论设计了一种非线性反馈控制律, 利用该方法对两星电磁编队维持控制进行了仿真验证. 仿真结果表明, 地磁场引起的电磁干扰力可以忽略, 但是电磁干扰力矩的影响必须考虑; 近地轨道集群航天器电磁编队是可控的, 所设计的控制方法是可行的.      

电磁测力系统研究

介绍了电磁测力系统中静磁场分析与优化、通电线圈位置控制方法及提高线性度的自校准方法。运用Maxwell 3D进行仿真计算，得到了相对优化的磁密及磁均匀性，通过控制通电线圈在磁场中位置及分段线性微分技术，提高了电磁测力准确度。构建了试验装置，对比试验数据表明，该研究措施对于提高电磁测力准确度取得了较好效果。     

常闭式电磁制动器驱动结构设计及性能分析

针对常闭式电磁制动器耗能高、制动力密度小、励磁线圈发热严重等缺点，尝试将永磁体引入至制动器驱动结构中，设计出了一种电磁与永磁混合作用的新型电永磁驱动结构。结合有限元软件，采用有限元法分析了其内部磁通量分布并研究励磁线圈电流、气隙及永磁体结构形状等因素对电磁力的影响。结果表明，电磁与永磁两磁场耦合性较好，电磁吸力随电流增加及气隙的减小增幅较大，且同等条件下L形永磁体的电磁驱动结构对衔铁的吸力最大，对电磁制动器轻量化研究具有指导意义。     

常闭式电磁制动器驱动结构设计及性能分析

针对常闭式电磁制动器耗能高、制动力密度小、励磁线圈发热严重等缺点,尝试将永磁体引入至制动器驱动结构中,设计出了一种电磁与永磁混合作用的新型电永磁驱动结构。结合有限元软件,采用有限元法分析了其内部磁通量分布并研究励磁线圈电流、气隙及永磁体结构形状等因素对电磁力的影响。结果表明,电磁与永磁两磁场耦合性较好,电磁吸力随电流增加及气隙的减小增幅较大,且同等条件下L形永磁体的电磁驱动结构对衔铁的吸力最大,对电磁制动器轻量化研究具有指导意义。     

平板型电磁作动器优化研究CSCD

本文针对卫星隔振系统中的电磁作动器输出力矩精度问题,设计从构型和控制两个方面对其输出精度进行优化。针对单个电磁作动器输出精度进行优化,设计永磁体与主作用线圈的相对位置的构型,确保动子运动过程中,磁场作用下的主作用线圈长度不变,从而提高作动器的输出精度;针对两个电磁作动器加工和安装误差带来的输出力矩不对称的问题,设计力矩补偿函数,确保两个电磁作动器输出力矩相等,从而保证隔振系统的隔振精度。     

电磁航天器编队位置跟踪自适应协同控制

通过引入一致性理论针对电磁航天器编队相对位置协同控制问题设计了自适应协同控制器。分析了电磁航天器编队的基本原理,建立了电磁航天器编队相对运动精确的非线性动力学方程。基于电磁力远场计算模型的不确定性,对相对运动动力学模型进行了修正。在电磁力计算模型不确定和航天器间存在通信时延的条件下,对位置跟踪控制的目标设计了自适应协同控制器。考虑到电磁航天器磁矩产生能力的不同,给出了通过优化进行磁矩分配的方案。通过仿真表明:所设计的自适应协同控制器不仅实现了对期望轨迹的准确跟踪,而且相比人工势函数法,暂态维持编队构型的能力提高了4.9倍,并且所给出的磁矩分配方案实现了磁矩的合理分配。     

组合体航天器智能协同姿态控制研究

组合体航天器在姿态机动过程中的各单体卫星承受的控制力是不均匀的，局部控制力过大将会导致组合链接断裂而失效。应用多体动力学理论建立了组合体航天器间的相互作用模型，对内力、内力矩与整星姿态、控制力矩之间的关系进行了分析；仿真了极端情况下的内力矩分布，其大小可能超过常用对接机构的力矩承受范围；采用粒子群算(PSO)法对控制合力矩进行优化分配，通过预设初值和继承初值来加快PSO算法的收敛速度，实时调整各星控制力矩分配比例，减小星间相互作用力，实现组合体航天器的智能协同控制，保证组合体航天器的连接铰不因受力过大而损坏。算法仿真和Adams软件验证分析表明，本文建立的相互作用模型可准确计算出星间相互作用力，提出的智能协同姿控算法可显著降低姿控过程中的星间内力，确保组合体航天器的安全。     

平板型电磁作动器优化研究

本文针对卫星隔振系统中的电磁作动器输出力矩精度问题,设计从构型和控制两个方面对其输出精度进行优化。针对单个电磁作动器输出精度进行优化,设计永磁体与主作用线圈的相对位置的构型,确保动子运动过程中,磁场作用下的主作用线圈长度不变,从而提高作动器的输出精度;针对两个电磁作动器加工和安装误差带来的输出力矩不对称的问题,设计力矩补偿函数,确保两个电磁作动器输出力矩相等,从而保证隔振系统的隔振精度。     

电磁航天器编队悬停鲁棒协同控制方法

针对电磁航天器编队近地轨道悬停问题,提出一种在缺少参考轨道准确信息时的协同控制方法。用TH方程描述航天器间的相对运动,选择与参考轨道同周期的圆轨道为标称轨道。将参考轨道相对于标称圆轨道的偏差、地球非球形引力、大气阻力及其他天体引力等参数单独归类,视其为不确定量,构成不确定系统。通过引入一致性理论,在电磁作用模型和动力学方程均存在不确定性的条件下,针对航天器编队悬停的目标设计了鲁棒协同控制律。考虑能量消耗最优和均衡以及轨道姿态解耦,给出了通过优化进行磁矩配置的方案。仿真结果表明,所设计的鲁棒协同控制律能够实现编队电磁航天器高精度悬停,所给出的磁矩配置方案能够实现磁矩的合理分配。      

一种航天器用先导级电磁阀的新型结构设计

提出了一种新型两位三通结构的先导级电磁阀设计方案,由2组永磁体和3组控制线圈构造3条永磁锁位磁路和2条电磁偏置磁路,不仅实现了阀门的小型化结构和无功耗位置保持,而且提高了阀门的密封可靠性.这种阀门可以作为大推力发动机推进剂主阀的先导级控制阀,能够满足在轨长期应用的需求.通过电磁场有限元分析和产品样机试验的方法,对设计方案的可行性进行验证,验证结果表明新型先导级电磁阀的各项性能指标均达到设计目标.     

基于非线性干扰观测器的航天器相对姿轨耦合控制

针对带挠性附件的服务航天器在近距离逼近失控目标航天器时的控制问题，考虑由于推进安装偏差导致的姿轨耦合，通过选用相对位置和相对姿态四元数作为状态向量，建立了服务航天器与失控目标航天器的相对位置和姿态动力学方程。考虑服务航天器的挠性附件影响，挠性振动可以视为位置和姿态控制系统微分有界的干扰。基于反馈线性化方法提出了非线性反馈控制律，设计了非线性干扰观测器，用于补偿可建模干扰，并基于所提非线性反馈控制律和非线性干扰观测器设计了复合控制器，其中非线性干扰观测器用于补偿挠性附件产生的干扰。数字仿真及半物理实物闭环验证表明，利用所设计的复合控制器能够有效补偿干扰，同时在对失控目标航天器跟踪时具有很好的鲁棒性。      

Multi-Sphere Method for modeling spacecraft electrostatic forces and torques

The use of electrostatic (Coulomb) actuation for formation flying is attractive because non-renewable fuel reserves are not depleted and plume impingement issues are avoided. Prior analytical electrostatic force models used for Coulomb formations assume spherical spacecraft shapes, which include mutual capacitance and induced effects. However, this framework does not capture any orientation-dependent forces or torques on generic spacecraft geometries encountered during very close operations and docking scenarios. The Multi-Sphere Method (MSM) uses a collection of finite spheres to represent a complex shape and analytically approximate the Coulomb interaction with other charged bodies. Finite element analysis software is used as a truth model to determine the optimal sphere locations and radii. The model is robust to varying system parameters such as prescribed voltages and external shape size. Using the MSM, faster-than-realtime electrostatic simulation of six degree of freedom relative spacecraft motion is feasible, which is crucial for the development of robust relative position and orientation control algorithms in local space situational awareness applications. To demonstrate this ability, the rotation of a cylindrical craft in deep space is simulated, while charge control from a neighboring spacecraft is used to de-spin the object. Using a 1 m diameter craft separated by 10 m from a 3 by 1 m cylindrical craft in deep space, a 2 °/s initial rotation rate can be removed from the cylinder within 3 days, using electric potentials up to 30 kV.     

一种翻滚非合作航天器抵近绕飞避障轨迹规划和跟踪控制方法

针对空间无人在轨服务任务中翻滚非合作航天器抵近、绕飞和避障问题,在目标特征部位本体坐标系,建立了轨道和姿态相对运动模型.设计了抵近和绕飞策略,以抵近轨迹的燃料和时间最优为目标函数,考虑规避障碍物情况,结合动力学和路径等约束条件进行轨迹规划,最后采用高斯伪谱法对连续最优控制问题进行离散转化,对转化后的非线性规划问题进行求解,得出最优路径.同时基于轨道和姿态协同的六自由度轨迹跟踪误差模型,设计了全状态反馈轨迹跟踪控制律,在相对运动姿态和轨道模型的基础上,对控制过程进行了闭环仿真验证,结果表明了姿轨耦合轨迹跟踪控制律的有效性和稳定性.     

Automatic orbital docking with tumbling target using sliding mode control

The present study aimed to propose translational and rotational control of a chaser spacecraft in the close vicinity docking phase with a target subjected to external disturbances. For this purpose, two sliding mode controls (SMC) are developed to coordinate the relative position and attitude of two spacecraft. The chaser is guided to the tumbling target by the relative position control, approaching in the direction of the target docking port. At the same moment, the relative attitude control coordinates the chaser attitude so that it can be aligned with the target orientation. These control systems regulate the relative translational and rotational velocities to be zero when two spacecraft are docking. The robustness of the closed-loop system in the presence of external disturbances, measurement noises and uncertainties is guaranteed by analyzing and calculating the control gains via the Lyapunov function. The simulations in different scenarios indicated the effectiveness of the controller scheme and precise maneuver regarding the accuracy of docking conditions.