基于库仑力的航天器编队飞行动力学与控制研究

Spacecraft Coulomb formation flying is a new subject in space field, and dynamics and control is the key of its theoretical study. With the features of "essentially propellentless", low power consumption, high control bandwidth, and no plume contamination, Coulomb formation flying holds an advantage on conducting the long-term high-precision close-proximity formation missions in the high earth orbit or in the deep space. Compared with conventional spacecraft formation flying, Coulomb formation flying has many new problems and new difficulties in the aspect of dynamics and control due to the influencing factor of the electrostatic field, which can not be solved by simply generalizing the research method and research findings of conventional spacecraft formation flying. Through the kinetic analysis, the project aims to grasp the characteristic of spacecraft Coulomb formation, and focuses on the study of formation keeping and reconfiguration of Coulomb formation flying, formation keeping of Hybrid formation flying based on Coulomb forces and solar sail and so on, and conducts the physical simulation experimental test of relevant control methods, which will provide theoretical basis and analytical design method of Dynamics and Control for future practical application.

基于库仑力的航天器编队飞行是国际航天领域的一个新课题，由于具有无燃料消耗、低能耗、高带宽和无羽流污染等特点，其对高轨道或深空条件的近距离、长时间和高精度编队任务具有巨大优势。库仑编队的动力学与控制问题是其理论研究的重点。与传统卫星编队飞行相比，由于加入静电场的影响因素，库仑编队飞行在动力学与控制方面有很多新问题和新困难，并不能通过简单地推广传统编队飞行的研究方法和研究成果来解决。本项目通过动力学模型分析掌握航天器库仑编队的特性，在此基础上重点研究库仑编队队形保持与重构控制、基于库仑力推进与太阳帆推进相结合的推力混合编队队形保持控制等，并对相关控制方法进行物理仿真实验验证,为未来的实际应用提供动力学与控制方面的理论依据和分析设计方法。

航天器库仑编队飞行是国际航天领域的一个新课题，动力学与控制问题是其理论研究的重点。由于加入静电场影响因素，库仑编队在动力学与控制方面有很多新问题和困难，并不能通过简单推广传统编队飞行的研究方法和研究成果来解决。本项目首先建立库仑编队精确动力学模型和静电场等效模型，通过动力学分析研究航天器库仑编队飞行特性，进一步研究了库仑编队的队形保持与队形重构控制方法、基于太阳帆推进的主星姿轨基础控制及物理仿真实验基础平台设计等问题。. 系统研究地月平动点处库仑编队动力学与控制问题和地球同步轨道库仑编队的动力学和控制问题。对于平动点处库仑编队，研究轨道径向方向和轨道切线方向两种典型静态库仑编队的动力学与控制问题，并对航天器释放或收回探测设备的具体编队任务进行了分析。针对二星和三星动态库仑编队，推导三星共线平衡状态动力学方程，考虑编队运动过程不确定因素，设计反馈线性化滑模控制器和基于BP神经网络。对于地球同步轨道库仑编队，考虑环境干扰及德拜效应，建立任意三星库仑编队的非线性动力学方程，分别研究径向、切向和法向三星库仑编队问题。沿径向分布时，研究了基于库仑力的面内运动控制问题；沿切向分布时，为实现编队面内和面外运动的协同控制，设计基于库仑力和离子推进力组成混合控制力的自适应控制律；沿法线方向分布时，卫星间距与编队整体构型的姿态角解耦，库仑力仅能控制星间距离变化，为实现编队面内运动控制，设计基于混控制力的终端滑膜控制律。研究平面等边三星库仑编队问题。针对其动力学强非线性和耦合性，利用泰勒级数展开式对非线性动力学模型进行线性化处理，设计LQR反馈控制律，考虑未建模扰动力和模型误差，设计基于粒子群算法的LQR反馈控制策略。上述研究成果可为未来实际应用提供动力学与控制方面的理论依据、分析设计方法，也可为未来利用库仑编队飞行实现高分辨率合成孔径光学系统，进行高轨航天器交会与对接，在轨服务，清扫太空垃圾等空间任务提供重要的理论依据，并对工程实践具有很好的参考价值。