电磁航天器编队动力学建模与运动规划方法

基于电磁航天器作用原理,利用拉格朗日方法,建立电磁航天器“绳系”动力学模型.基于偏差线性化动力学模型,以切向、径向编队为例,分析编队构型保持稳定性,设计构型保持控制律;将双星电磁航天器编队(EMFF,Electromagnetic Formation Flight)重构运动规划问题转化为标准优化问题,利用高斯伪谱优化方法进行求解.并提出序列控制策略,将该双星模型扩展应用于多星电磁编队构型重构问题,转化为多阶段运动规划问题利用多阶段优化方法进行求解.仿真结果表明本文的动力学建模方法和控制方法是可行的.      

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.      

径向两星库仑编队队形保持自适应控制研究

研究地球同步轨道处径向两星库仑编队队形保持的自适应控制问题.建立了双星库仑编队在地球同步轨道处径向两星库仑编队动力学模型.基于建立的非线性化动力学模型,同时考虑到外部扰动和动力学模型误差等因素,设计径向两星库仑编队在地球同步轨道处的构型保持自适应控制律,并利用Lyapnuov稳定性理论证明系统的闭环稳定性.最后进行数值仿真,并与传统PID控制进行了比较.仿真结果表明提出的自适应控制律响应速度快,稳定性好,编队构型能够收敛到期望值,控制性能明显优于PID控制.     

基于网络同步的航天器编队飞行姿态控制方法

航天器编队飞行需要协同控制系统进行统一的协调管理,以实现协同工作。文章将网络同步控制理论应用于航天器编队飞行姿态控制,以提高航天器编队飞行姿态控制的协同性。首先,采用修正的罗德里格斯参数描述航天器姿态动力学;然后,基于网络同步控制算法,设计航天器编队飞行的非线性姿态协同控制律;考虑成员航天器间姿态变化的差异,采用混合控制技术,设计航天器编队飞行混合控制策略。仿真结果验证了控制方法和控制律的有效性,并且相比单一反馈机制,混合控制具有更好的控制品质。     

径向共线多星库仑编队飞行构型保持研究

本文研究了多星库仑卫星编队在地球同步轨道处径向轨道动力学与控制问题.首先建立了N颗卫星在同步轨道点处的动力学模型,然后以只在库仑力作用下的四颗卫星编队为例,对共线四星编队模型进行线性化处理.针对其动力学模型设计了LQR控制器.考虑到建模误差,利用误差最大有界范围的二范数设计了改进型的LQR控制律,针对变量引入积分项对扰动误差进行补偿以提高控制精度.数值仿真结果表明,所建立的多星编队动力学模型是正确的,引入积分项的控制减少了编队构型稳定所需时间,且有效维持了编队构型.     

皮纳卫星编队保持动力学分析

针对皮纳卫星在编队飞行中的控制精度要求已提高到微米甚至纳米级,文章研究了小推力作用下高精度的皮纳卫星编队构型保持问题,在考虑摄动影响下,推导维持编队构型需要的控制力与编队距离、编队空间方位等参数之间的关系,为皮纳卫星编队构型的设计提供理论指导;同时基于bang-bang控制理论,使用有限状态机设计了一种高精度的编队控制律。仿真表明,提出的控制方法不但可以使系统快速收敛,同时还能使皮纳卫星编队的星间控制精度达到1 μm,与滑模控制律相比较,精度提高近10³倍。     

利用人工势函数法的卫星电磁编队控制

卫星电磁编队是指利用卫星之间相互作用的电磁力进行卫星相对运动控制,对控制律的要求主要是计算量小和能避免碰撞.以目标星对参考星的相对运动矢量作为控制对象,分析了使用电磁力控制卫星编队的可行性,结果是如果编队卫星磁矩能够任意控制,那么卫星相对运动也能完全控制.设计了人工势函数,以相对位置和相对速度矢量作为变量,人工势函数在达到控制目标时为最小值,在碰撞的位置具有局部最大值.设计的控制律能够实时调整控制参数,能够保证电磁线圈控制电流不至于饱和,以及人工势函数导数在控制过程中小于零.仿真表明,所设计的控制律能生成编队构型并避免碰撞,而且具有一定的抗干扰性.     

椭圆轨道非线性相对运动模型的周期解与应用

在长期的航天器编队飞行中传统的基于线性相对运动模型设计编队保持轨道的方法会引起较多的燃料消耗.首先采用摄动法解析地求得了考虑二阶非线性项时椭圆轨道相对运动模型的周期性条件和周期解;然后以此周期解为参考轨道设计了基于Lyapunov稳定的PD保持控制律.仿真结果表明:基于椭圆轨道非线性相对运动模型的周期解较基于椭圆轨道线性相对运动模型的周期解,精度明显提高;以前者为参考轨道的保持控制与以后者为参考轨道的保持控制相比,燃耗明显降低.     

基于事件触发的多机编队目标跟踪控制

为解决多机编队目标跟踪过程中存在的机间通信和控制更新频繁的问题，提出了一种具有事件触发机制的多机编队目标跟踪控制算法。首先，给出了一种具有事件触发策略的编队队形描述与目标跟踪一体化算法，简化了算法设计的复杂度，并使触发机制的工作过程更加直观；其次，给出了分布式目标跟踪控制律，并仅利用状态估计信息设计了事件触发函数，使无人机间通信与控制更新问题转换为判别触发函数的取值问题，同时设计了最小触发间隔系数，避免了可能存在的"Zeno行为"；最后，以编队不同的运动模式对算法进行了仿真验证。研究结果表明:所提算法能使无人机编队在机间通信与控制更新次数明显减少的情况下跟踪上目标。      

Prospects of de-tumbling large space debris using a two-satellite electromagnetic formation

Capturing large space debris with complex rotational motion is extremely challenging. A de-tumbling phase before capturing may be necessary to reduce the risk of collision with debris. This paper proposes a new noncontact de-tumbling method using a two-satellite electromagnetic formation, in which two small electromagnetic satellites, each having a high-temperature superconducting coil, generate control torques to reduce the rotation rate of debris prior to making any physical contact. The electromagnetic interaction of the target-satellite system is analyzed. A relative translational dynamics of the target–satellite system and the attitude dynamics of the target are established. Simulation results show that the proposed method effectively eliminates the rotational motion of the target. It can be safely concluded that the noncontact method for de-tumbling space debris using a two-satellite electromagnetic formation is feasible and potentially applicable to on-orbit capture.     

Neural network-based sliding mode control for atmospheric-actuated spacecraft formation using switching strategy

This paper presents an adaptive neural networks-based control method for spacecraft formation with coupled translational and rotational dynamics using only aerodynamic forces. It is assumed that each spacecraft is equipped with several large flat plates. A coupled orbit-attitude dynamic model is considered based on the specific configuration of atmospheric-based actuators. For this model, a neural network-based adaptive sliding mode controller is implemented, accounting for system uncertainties and external perturbations. To avoid invalidation of the neural networks destroying stability of the system, a switching control strategy is proposed which combines an adaptive neural networks controller dominating in its active region and an adaptive sliding mode controller outside the neural active region. An optimal process is developed to determine the control commands for the plates system. The stability of the closed-loop system is proved by a Lyapunov-based method. Comparative results through numerical simulations illustrate the effectiveness of executing attitude control while maintaining the relative motion, and higher control accuracy can be achieved by using the proposed neural-based switching control scheme than using only adaptive sliding mode controller.     

异构多星编队的脉冲构型保持控制方法

近地轨道的双星编队通常设计具有自稳定性的编队构型参数初值，通过保持编队构型参数形成长期稳定的相对周期运动。针对编队中卫星数量增多产生的相对运动耦合问题，提出了基于Hill坐标和三角函数公式的多星相对运动分析方法。基于SAR载荷测量基线定义，结合多星编队构型参数的相对运动特性，提出了编队构型参数的设计方法，能够实现多星编队的最大有效基线组合。通过分析J2项摄动和大气阻力摄动的长期影响，研究了异构多星编队的相对运动衍化规律，提出了主从形式的脉冲偏置控制，能够有效保持针对异构多星编队设计的编队构型。通过面质比异构的四星编队控制仿真，验证了脉冲偏置控制形式下异构多星编队构型保持控制方法的有效性。     

利用大气阻力的横向编队维持控制

研究了航天器在近圆轨道面内横向固定间隔距离内伴飞编队维持问题。基于经典轨道要素偏差法分析了相对运动特性和大气阻力对相对运动的影响。根据利用大气阻力引起的横向相对运动漂移,设计了有利于长期伴飞编队维持的初始半长轴偏差和伴飞边界点的期望半长轴偏差,进一步给出了进行伴飞维持的边界点横向速度脉冲。仿真结果表明,该控制策略进行伴飞编队维持是可行的,维持所需的速度脉冲次数少、速度增量小,且算法简单,有利于航天器自主化实现。     

浮空气囊定常及非定常气动特性计算

对于0~20 km范围内不同外形的浮空气囊,采用虚拟压缩方法求解不可压缩非定常N-S(Navier-Stokes)方程,数值模拟了5个高度下气囊的定常和非定常流场.定常状态时,随高度及气囊外形的变化,模拟了气囊气动力及背风区复杂流动分离.结果表明,当气囊厚度率逐渐增大时,其背风区存在复杂的空间流动分离.运用双时间步方法及动网格技术,成功实现了气囊平移或俯仰运动状态下非定常流场的数值模拟.考察了不同的平移方向及速度对气囊非定常气动特性的影响,得到了气囊平移过程中气动力及流场的变化情况.对于气囊的俯仰运动,获得了不同俯仰速度及不同最大俯仰角时气囊的气动力及流场.计算结果表明气囊的非定常运动对其流场和气动力影响显著.     

微小卫星编队飞行解析构型维持控制方法

编队构型维持是卫星编队飞行的基础.J2摄动和大气阻力是影响近地轨道卫星编队构型的主要摄动力,通常导致星间相对速度的长期变化,从而造成编队构型发生漂移.本文针对近地轨道卫星编队飞行,基于平均化的思想,采用平均相对速度表示编队构型漂移率,推导了平均相对速度与脉冲速度增量之间的解析表达式.通过引入平均相对加速度,将摄动力下的相对运动等效为匀变速直线运动.将其与单边极限环控制方法结合,提出一种基于星间测距信息的解析构型维持控制策略.仿真结果表明,该解析算法简单有效,易于工程实现,尤其适合微小卫星的星间自主控制.      

基于分段常值推力的水滴悬停构型控制策略

针对航天器编队飞行任务对相对运动控制的要求,研究了在分段常值推力控制下航天器受迫绕飞构型的设计与控制问题。首先,基于脉冲控制下的水滴悬停构型,提出了多段常值推力控制实现水滴悬停构型的打靶方程;将打靶方程转化为求解极值问题,采用最小二乘法来求解;分析了一段常值推力可行性。然后,以连续常值小推力控制方程为基础,推导了小邻域定理,分析了近距离相对运动条件下两段常值推力控制的可行性;针对可能出现求解精度差的问题,提出了小推力增量方程来修正精度,并证明在靠近理想解的情况下多次迭代可以趋近于理想解。最后,通过数值仿真实现常值小推力控制下的水滴悬停相对运动。数值仿真结果表明常值小推力控制策略可行,研究成果完善了航天器受迫绕飞构型设计与控制的相关理论,为工程应用提供参考。      

日心悬浮轨道混合推进航天器编队构型保持研究

针对混合推进航天器编队日心悬浮轨道保持控制问题进行了研究.首先推导出在日心悬浮轨道附近的航天器编队相对运动方程，考虑到航天器间距离变化值较小且航天器间距离与航天器到太阳的距离的比值为小量，将其在悬浮轨道附近线性化.基于该线性化方程，设计了一种LQR编队控制方式，该控制方式可通过调节太阳帆的姿态及航天器间库仑力的大小对编队构型进行改变或保持，具有响应速度快和控制简单的特点.最后对控制律进行数值仿真，表明该控制方法能实现编队.     

基于终端滑模的卫星编队飞行有限时间控制

针对考虑参考星机动的编队飞行相对位置控制问题,给出了一种基于终端滑模的有限时间控制方法. 基于编队卫星相对运动动力学模型,设计了有限时间终端滑模控制器,同时证明了该控制器作用下系统状态误差可在有限时间内收敛. 以编队构型重构和考虑参考星机动时的构型保持控制为例,利用本文控制方法进行了仿真分析. 仿真结果表明,基于终端滑模的有限时间控制方法相比于传统的线性滑模控制方法,在保证编队飞行控制高精度的同时,有效提升了误差的收敛速度,验证了该方法的有效性和优越性.