三卫星库仑力编队飞行重构高性能控制研究

Coulomb Formation Flying (CFF) is a novel approach to control a spacecraft formation. The concept of CFF was originally proposed by King et. al. in 2002. It actively creates an electric field about the spacecraft and utilizes the internal electrostatic forces within the formation to control the relative motion of the spacecraft. Spacecraft will naturally charge to either positive or negative voltages, due to their interaction with the local space-plasma environment. The spacecraft charge level can be actively controlled by continuously emitting electrons or ions, as performed on the current Cluster mission. The fuel efficiency of Coulomb thrusting is at least three-five orders greater than that of electric propulsion and typically requires only a few watts of electrical power to operate..CFF is suitable for long-term, tight-cluster space missions. It is especially efficient in controlling the relative motions, and thus the overall shape of the cluster..The three-craft CFF control is an important area in the research field of CFF. It is a good start to the general N-craft Coulomb virtual structure control problem. Based on our previous works in this area, the applicant propose this project to investigate the high-performance control for the three-craft CFF reconfiguration problem. The objective is to develop a high-performance, high-reliability control strategy to achieve the reconfiguration maneuver of a three-craft Coulomb virtual structure. The research would be launched following these steps: 1. Open-loop three-craft Coulomb virtual structure reconfiguration trajectory planning. 2. Taking the open-loop trajectories as the reference, develop a feedback control strategy to stabilize the real trajectories to the reference trajectories. 3. Investing the robustness of the control system, analyzing the region of efficiency of the control system. We are looking forward to obtaining original achievings in the following problems: 1. The identification of the reachable region under the control phase where the three spacecraft are controlled simultaneously. 2. Piece wise open-loop trajectory programming. 3. Two-stage feedback control design where the open-loop trajectories are taken as the reference trajectories. 4. Singularity identification and avoidance.

库仑力卫星编队飞行概念自2001年被莱恩 金提出后成为国际上卫星编队飞行领域的新兴热门研究方向。库仑力编队飞行是通过主动控制卫星电荷，在卫星间产生静电力来控制卫星的相对运动。这种编队飞行方法具有能耗极小、不消耗推进剂、不产生扰动或腐蚀性气流等诸多优点，尤其适合长周期高轨道或者深空的紧密型飞行任务。对三卫星编队飞行重构控制的研究，是库仑力卫星编队飞行领域的重要环节。申请人延续留学美国攻读博士期间的研究提出本项课题，旨在探索一种高性能、高可靠的控制方法来实现三卫星库仑力编队重构的控制。将从以下几个方面开展具体的研究：（1）三卫星库仑力编队开环轨道规划；（2）以开环轨道为参考轨道的反馈控制系统设计；（3）控制系统鲁棒性分析、适用范围分析。争取在同步控制三卫星的能达范围确定、分段式开环轨道设计、反馈控制设计、奇异点确定以及主动规避机制等问题上取得原创性成果。

本课题针对库仑力卫星编队领域的难题——三卫星库仑力编队重构——展开研究探索。为解决现有控制技术应用于库仑力编队重构中时出现的高频跳变切换现象，通过深入分析发现该问题源于编队系统动力学的仿射非线性特征，采用反馈控制法会遇到较大的奇异性。鉴于此认识，课题组创新性地提出了采用拼接圆锥曲线法来实现三卫星编队的库仑力重构机动，并取得了一系列的研究成果。此策略将整个机动过程划分为若干个时间段（一般不超过三段），在每一个时间段内仅有两颗卫星带点，第三颗卫星不带电。这样每一颗卫星的整个轨迹是由不同的圆锥曲线和/或直线组成。通过几段圆锥曲线的拼接，最终实现编队重构的任务。..为实现这一策略，课题组将研究工作划分为三个阶段：双卫星机动轨道设计；一段式机动轨道分析；分段式三卫星库仑力编队机动研究。双卫星机动轨道设计主要是为后续的三卫星子系统轨道设计提供基本工具。分别开发了圆过渡轨道和普通过渡轨道，并发现圆过渡轨道解是唯一的，而普通过渡轨道的解空间具有两维的自由度，可用于设计最优机动轨道。一段式机动轨道分析的主要目的是分析单段机动轨道与整体重构目标之间的关系，理清整体目标与分系统运动之间的联系。发现了重构机动有解的两个必要条件：时间方程存在正数解和子系统在指定的时间到达指定的位置。分段式三卫星库仑力编队机动研究是本课题的主要工作。在前期对双卫星机动和一段式机动分析的研究基础之上，课题组首先开发了两段式机动算法，并解决了在数值搜索过程中圆锥曲线类型发生变化而导致的跳变现象。然后为解决两段式机动算法中由于初始条件导致时间方程不存在正数解的问题，进一步开发了初始条件调制算法，保证了在非极端条件下算法的有效性。通过数值仿真验证了拼接圆锥曲线重构机动算法的有效性；通过与现有的切换控制算法进行比较，展现了拼接圆锥曲线重构机动算法的优越性。..通过本课题的研究，课题组实现了拟定的研究目标，得到了三卫星库仑力编队重构机动的一种高性能算法。相比现有算法而言，圆锥曲线拼接重构机动算法在时间效率、控制电荷动态特性、控制电荷幅值等方面均具有很大提升。本课题开发的算法是一种本质上与以往研究结果完全不同、性能优良的重构机动算法，为库仑力编队领域的研究提供了一种高效的思路和手段。通过简单修改，此算法可延拓至更加广泛的N-卫星库仑力编队的研究，从而为库仑力卫星编队概念的拓展提供了更大的空间。