非接触式卫星平台的动力学与高精高稳高敏捷控制问题研究

When the spacecraft works on the orbit, it will suffer some disturbances from the environment and the structure itself. These disturbances make the spacecraft vibrate, and then have an influence to the normal working of the payload. The traditional vibration suppression and attitude control design methods could not meet the requirements of high accuracy, high stability and high agility to some high resolution remote sensing satellite, space observation satellite and laser communication satellite. To meet above requirements, based on the dynamics of multi-body and the theory of the control, this study conducts a systematic research into dynamic and control of non-contact spacecraft with the electromagnetic interaction characteristic, considering the multiple vibration sources. This study includes: (1) the analysis of vibration mechanism of the spacecraft with moving parts and flexible structures, (2) the analysis of dynamic characteristics of the non-contact vibration isolator and the strategies of the structure and parameters optimization, (3) the control method with fast maneuver and fast stabilization of the spacecraft bus, (4) the integrated control methods of the relative motion and vibration of the spacecraft bus and the payload, (5) and the ground experiment tests of the above theoretical and computational studies. On the completion of the project, it will provide parameterized multi objective optimization strategies of the non-contact vibration isolator with multi-field coupling properties, and integrated control methods of the relative motion and vibration with ultra-close and ultra-high accuracy.

航天器在轨运行时，会受到来自外部环境和自身结构机构引起的各种扰动，这些扰动使得航天器姿态产生振动，进而影响有效载荷的正常工作。传统的振动抑制手段和姿态控制系统设计方法已很难达到未来发展的高分辨率遥感卫星、太空观测卫星以及激光通信卫星对姿态的高精度、高稳定度、高敏捷度的要求。为此本项目以多体动力学和控制原理为主要理论基础，针对航天器的多源扰动特性及机理，开展基于电磁作用的非接触式卫星平台的动力学与控制研究。主要研究内容包括：带有活动机构和柔性结构的卫星平台多源扰动机理分析、非接触式隔振器动力学特性分析和结构及参数优化策略、卫星平台自身的快速姿态机动快速稳定控制方法、载荷和卫星平台的相对运动和振动一体化控制方法、非接触式卫星平台动力学与控制原理性验证研究。研究结果可以获得具有多场耦合特性的非接触式隔振器的参数多目标优化策略，建立超近距离超高精度的相对运动与振动一体化控制方法新体系。

本项目围绕航天器上敏感载荷高指向精准度的需求，提出了考虑卫星平台多源扰动特性的电磁式隔振器结构和电磁参数的优化方法，并且建立了电磁式卫星平台的姿态/隔振/避撞一体化控制方法体系。在研究过程中，首先给出了星上多源振动的整体分析方法，并针对执行机构的微振动特性提出具有隔振能力和小空间占用率特性的桁架包络式角动量单元；其次提出了一种航天器快速机动和敏感载荷快速稳定复合控制方法以及基于电磁特性的无接触式振动控制方案；接着基于无接触式振动控制方案特性，分别提出一种小间隙下载荷和卫星平台的相对运动/振动一体化控制方法和考虑参数不确定条件下的无接触式航天器复合控制方法；最后搭建地面实验平台并对关键技术进行验证。.相关研究成果已被我国多个航天研究所应用于卫星平台的研制中，攻克了强耦合条件下微振动机理难以分析、传统隔振系统的体积占用率高、航天器快速机动后难以快速稳定、无接触式振动控制方案在小间隙下易碰撞、载荷参数时变条件下控制器性能无法保证等多项难题。在项目执行期内共计发表各类学术论文28篇，其中SCI检索12篇，EI会议论文3篇；授权国家发明专利2项；派遣学生出国交流7次；组织学术会议3次；培养硕士生3人，协助培养博士生3人；项目负责人获得军队科技进步二等奖1项，并获“中国科协青年人才托举工程”人才计划的支持。