基于电磁力的集群航天器控制力/力矩共享机理与方法

Spacecraft cluster will greatly improve the human abilities of space exploration and exploitation, the methods to realizing the sharing of information, force/ torque and energy has been the focus of coordinated control of spacecraft cluster. This research investigated the control force and torque sharing mechanism and methods for spacecraft cluster based on electromagnetic force, and we focus on solving the following problems: relative motion mechanism of spacecraft cluster based on electromagnetic force, the control force and torque sharing method under the highly nonlinear and coupled condition, and the control moment control allocation theory and methods. The control characteristics of the control force and torques will firstly be analyzed, the relative motion model will be established, and we will therefore propose the optimal relative configuration considering many constraints. Then, we will analyze the control force and torque sharing mechanism, and put forward the control sharing methods under highly coupled, highly nonlinear and model uncertainty, which will solve the sharing control problem that the electromagnetic execution components are highly coupled with the relative motion of spacecraft clusters. Finally, the dynamic control allocation algorithms will be put forward, and the control moment control allocation law will be presented. This research will break through the conventional control mode depending on the thrusters, and pave the creative way for long-period, low energy-consuming, autonomous flying of spacecraft clusters.

集群航天器将极大地提升人类探索和利用空间的能力，如何实现集群航天器间信息、力/力矩和能量的共享是当前集群航天器协调控制研究的一个热点。本项目提出开展基于电磁力的集群航天器控制力/力矩共享机理与方法研究，重点研究解决以下三个问题：基于电磁力控制的集群航天器相对动力学机理、强非线性和强耦合条件下的集群航天器电磁力/力矩共享方法以及集群航天器电磁力控制分配方法。项目拟首先分析电磁力/力矩特性，建立集群航天器相对运动动力学模型，研究多约束条件下的集群优化配置方法，明确控制力/力矩共享机制，提出强耦合、强非线性、模型不确定条件下的电磁力/力矩共享方法，解决电磁执行机构同集群航天器之间相对运动状态高度耦合的共享控制问题，提出磁矩动态控制分配算法，揭示电磁力控制系统磁矩控制分配的规律。研究将突破基于推力器的航天器相对状态控制的传统模式，为集群航天器低能耗长期自主运行提供新的方法和技术途径。

集群航天器将传统的整体式航天器分解为可物理分离、集群飞行的有效载荷与基础功能模块航天器，通过自组织网络组合成为集群空间系统，将带来空间任务执行方式的创新性变革。协同控制是集群航天器的关键技术，对集群航天器技术的发展具有重要意义。本项目以基于电磁力的集群航天器控制力/力矩共享问题为研究对象，从动力学和控制系统的角度，研究基于电磁力的集群航天器控制力/力矩共享控制理论与方法。. 项目重点研究解决了以下三个问题：基于电磁力控制的集群航天器相对动力学机理、强非线性和强耦合条件下的集群航天器电磁力/力矩共享方法以及集群航天器电磁力控制分配方法。首先，建立了远场电磁力模型和航天器相对运动动力学模型，提出了集群航天器集群飞行相对构型优化设计方法。接着，通过设计跟踪微分器、非线性扩张状态观测器及非线性反馈控制律，实现了集群航天器期望相对运动位置、速度的实时估计和对实时相对运动位置、速度的观测，同时能够对模型不确定性和外部干扰进行估计和补偿。从理论和仿真角度证明了设计的自抗扰控制器是Lyapunov渐进稳定的。最后提出了一种基于电磁力的集群航天器磁矩最优分配方法，将磁矩分配问题转化为一个有约束的非线性优化问题，采用模拟退火算法实现两航天器各轴线圈中电流的最优分配，使包括地磁场干扰力矩和航天器之间干扰力矩的总干扰力矩最小。. 项目突破了基于推力器的航天器相对状态控制的传统模式，为集群航天器低能耗长期自主运行提供了新的方法和技术途径。