拉格朗日点附近电磁航天器编队动力学与控制方法研究

Deep space exploration is a hot research topic in the field of aerospace recently. The control of formation flying near Lagrange points involved in the collision avoidance and small thrust problems, which puts forward a new challenge to traditional propulsion. This application aims to study the new theory and method using inter-electromagnetic force to control the formation flying near Lagrange points. Electromagnetic spacecraft formation flying which utilities inter-electromagnetic forces generated by the interaction between superconducting coils can solve the problems caused by traditional propulsion modes. This application would firstly discuss the inter-electromagnetic action and relative dynamics modeling methods of spacecraft formation flying near Lagrange points. The dynamic properties of the electromagnetic formation flying around libration points would be analyzed and the control problem of the electromagnetic spacecraft formation flying around Lagrange points would be discussed then. According to the characteristics of spacecraft cluster motion and the deep formation flying based on inter-electromagnetic forces, the control method of spacecraft formation flying based on the multi-agent system control theory would be studied. Finally examples about formation keeping, formation reconfiguration and collision avoidance would be simulated to validate the proposed dynamic model and control methods. The theories and methods of this application can be used to control the formation flying near Lagrange points. It also can promote the development and research of the deep space probes in the future. Furthermore, it will provide the theoretical supports for the future deep space programs of China.

深空探测技术是当前航天领域的一个研究热点，拉格朗日点附近的编队飞行控制涉及到碰撞规避和微小推力等问题，对传统的推进方式提出了新的挑战。本项目旨在对拉格朗日点附近电磁航天器编队飞行的动力学与控制问题进行系统和深入研究。电磁航天器编队飞行利用超导线圈周围电磁场相互作用产生的星间电磁力控制相对轨道运动，能够有效解决传统推进方式面临的问题。首先本申请将对拉格朗日点附近电磁航天器编队的星间电磁作用原理和动力学建模理论进行系统研究。然后分析其编队运动的动力学特性并研究拉格朗日点附近电磁航天器编队控制问题，针对电磁航天器集群运动特点，重点研究基于多智能体控制理论的编队飞行控制方法。最后通过编队保持与重构以及碰撞规避等仿真算例验证动力学模型和控制方法的有效性。本申请研究的理论和方法可用于拉格朗日点附近的编队控制，对于未来深空探测器的开发和研制具有推动作用，也可以为我国未来的深空探测计划提供理论支持。

深空探测技术是当前航天领域的一个研究热点，拉格朗日点附近的编队飞行控制涉及到碰撞规避和微小推力等问题，对传统的推进方式提出了新的挑战。本项目从基本概念、动力学分析和实际控制方案设计三方面对拉格朗日点附近轨道的电磁航天器编队飞行任务进行了系统地研究。.在基本概念部分，项目组在电磁线圈的电磁力/电磁力矩输出装置精确建模研究的基础上，推导了基于远场假设的电磁力近似模型，给出模型精度分析结果。以Richardson三阶近似轨道解析解作为初始值，引入打靶法与多重打靶法，分别得到拉格朗日点附近周期轨道与拟周期轨道的数值解，作为后续编队系统的参考轨道。在拉格朗日点附近双星电磁编队动力学模型的基础上，完成电磁编队的动力学特性分析。针对多星编队任务一致性控制需求，引入基于图论的多智能体系统理论，实现多星编队系统的动力学建模。考虑到电磁力/电磁力矩的耦合特性，项目组在姿轨耦合分析的基础上，提出轨道优先的姿轨解耦策略。针对双星电磁航天器编队问题，项目组在反馈控制的基础上，提出考虑电磁力输出模型不确定性的反馈自适应控制策略。对于多星一致性控制需求，提出基于多智能体理论的编队飞行控制策略。最后，基于所推导的控制方法，实现对电磁航天器编队构型保持、构型重构以及碰撞规避任务的控制方案设计与仿真实验验证。.本项目研究的理论和方法可以用于拉格朗日点附近的编队控制，对未来深空探测器的开发和研制具有推动作用，也可以为我国未来的深空探测计划提出理论支持。