基于连续小推力的航天器编队设计与控制方法研究

Compared with chemic engines, the electric propulsion system has little oscillation, much higher specific impulse which can expand spacecrafts’ lifespan, and accurate controllable thrust, which make it more and more popular in space missions. Two special formation flying modes are research in this project based on continuous low thrust provided by electric propulsion system, which are hovering formation and fast flying around. Firstly, a general design method will be studied to realize these two formations on the assumption of two-body. Secondly, the influence of perturbations is analyzed, and autonomic control method with high precision will be researched to keep the formation steady. Finally, the engineering approach to these two formations will be discussed. The hovering formation can be used to hover towards asteroids, lunar explorers and geosychronous orbit satellites, which are of high applied value. The fast flying around formation can be used to fast maintain services, which is also an basic function of future space manipulations.

电推进器相比传统的化学推进器具有比冲高、振动小、推力精确可控等显著优点，在航天任务中得到日益广泛的应用。本项目研究如何利用电推进器提供的连续小推力实现两种具有重要应用价值的特殊航天器编队构形，悬停和快速绕飞。首先研究二体条件下两种小推力编队的一般设计和控制方法；其次分析不同摄动因素对编队的影响，以及编队的高精度自主控制方法；最后研究两种编队的工程实现方法。提出的悬停编队适用于对小行星、月球探测器、地球同步静止轨道卫星、近地轨道卫星等不同轨道类型的航天器悬停，具有重要应用价值；快速绕飞编队可用于空间站的快速检测和维修，也是未来空间操作的一项基本功能。

随着电推进技术的进步，小推力轨道在未来的航天任务中将会得到日益广泛的应用，本课题以此为背景主要研究了基于连续小推力的航天器编队设计和控制方法。一是提出一种能够适用于任意轨道类型的连续小推力编队设计方法，据此设计出悬停轨道和快速绕飞轨道两种典型非自然相对构形，并计算分析了两种编队的燃耗情况。这种设计方法突破了目前参考卫星仅局限于圆轨道的限制，能够应用于大椭圆轨道以及双曲线轨道，在空间操作、深空探测等领域具有广阔的应用前景。二是提出了一种考虑J2摄动的相对运动动力学方程，与Ross、Schweighart等学者提出的考虑J2摄动的动力学方程相比，不仅能用于圆参考轨道，还能适用于小偏心率的椭圆轨道，具有更广的适用范围，将其应用到悬停轨道和快速绕飞轨道，能够有效节约燃耗。三是以悬停轨道为例，研究了基于线性二次型最优控制和滑膜变结构控制的两种小推力编队控制方法。仿真结果表明，存在未知外界干扰的情况下，控制误差能够很快得到收敛，可为连续小推力编队的工程实现提供有效参考。