基于控制力共享的集群航天器构形动态特性及其协调控制方法

The spacecraft cluster for the rapid response space is a latest concept and directions for space applications of future spacecraft systems. And, there will be a revolutionary impact on space technology and aerospace industry due to the emergence of spacecraft cluster. Aimed at the multiple functional modules spacecraft free-flying, the passive stability of loose configuration and relative state control by serious coupled internal potential field force, the shared control mechanism based on the electromagnetic force / Coulomb force will be analyzed and the relative dynamic characteristics model will be established. And the configurations optimized design method with constraints of the long-term passive stability / free-flying loose formation is put forward. From the point of time-varying/delay of shared control force, the stability analysis of the spacecraft cluster is carried out and the cluster coordinated control algorithm is proposed. Finally, the effectiveness of the relevant methods can be verified through mathematical simulation. It will provide the theoretical basis for future application of spacecraft cluster.

面向快速响应空间的集群航天器是未来航天器系统空间应用的一种新理念和新方向，它的出现将对空间技术和航天产业带来革命性的影响。本项目针对集群航天器中数量总多的功能模块航天器近距离集群飞行，相对轨道构形松散且主要依靠被动稳定，相对控制采用内部势场力且相互耦合严重的问题，将剖析基于电磁力/库伦力共享控制的集群航天器相对动力学机理并建立相应的动态特性模型，突破长期被动稳定/自由飞行松散队形等多约束条件下的构形优化配置方法，从共享控制力的时变/时滞特性角度出发，开展集群构形的稳定性分析并提出基于控制力动态耦合的集群构形协调控制算法，通过数学仿真验证相关方法的有效性，为未来集群航天器的空间示范应用提供理论基础。

集群航天器作为快速响应空间系统应用的一种新理念和新方向，将对空间技术和航天应用带来革命性的影响。课题针对集群航天中数量众多的功能模块航天器近距离集群飞行、相对轨道构形松散且主要依靠被动控制、相对控制相互耦合严重的问题，建立了基于控制力共享的集群航天器相对动力学模型，采用相对偏心率/倾角矢量实现了多约束条件下构形的优化配置问题，保证了集群航天器长期自由松散编队运行过程中的构形被动稳定；采用改进网络拓扑控制策略和通信测距一体化技术，优化了集群航天器网络通信拓扑结构，实现了集群航天器间网络自主构建和拓扑自主切换。在网络拓扑支持下，针对集群飞行的安全运行问题，提出了一种结合误差传播方法和计算概率椭球间最小距离的组合的碰撞风险度评估方法，该方法具有计算量小，可在轨自主运行的优点。针对集群航天器构形协调控制问题，将自适应耦合权重引入静态相对状态反馈同步协议，实现由局部同步误差驱动的各边权重的动态调整；针对实际集群航天器网络化系统中各节点动力学不完全一致的问题，提出了基于动态状态反馈与动态输出反馈的异构鲁里叶网络的鲁棒输出同步协议设计方法。项目成果将为我国分布式卫星系统，特别是近地轨道集群SAR卫星综合对地观测系统、深空天文干涉阵列等的发展提供一定的理论基础和技术支撑。