基于摄动智能应用的多星编队维持最优参考轨迹规划方法研究

The research on long lifetime formation keeping stategy which meets fuel-optimal and fuel-balanced requiremts, has become the research focus in the field of formation keeping. Different from the research methods starting from the controller design point of view, this project starts from the perspective of dynamic analysis, by chosing the formation keeping virtual reference point or rotating formation phase angle, in order to propose the intelligent perturbation utiliztion based reference path planning method, which provides a new idear for reasearch on long lifetime mutiple formtion keeping. Specifically, for reference path planing problem with respect to general mutiple satellite formation keeping, we study the mechansism of chosing virtual reference point to achieve fuel-optimal and fuel-balanced goals and present the mutiple –objecive optimization method to slove the optimal virtual reference point; for a class of Project Circular Orbit(PCO) mutiple satellite formation missions, by using the rotatable characteristics of formation phase angle, we propose the modified phase angle rotating method, which can consider effects caused by both in-plane and out-of-plane J2 perutabation, in order to further reduce total fuel consumption.The reaserach of this project has important theoretial and applied value for improving the on orbit lifetime of multiple satellite formation mission.

满足燃料消耗最优和燃料均衡的长寿命编队维持控制策略，已成为该领域的研究热点。不同于从控制器设计入手的研究思路，本项目从动力学分析角度入手，通过选择构形维持虚拟参考点或旋转相位角，提出基于摄动智能应用的参考轨迹规划方法，为长寿命多星编队维持控制策略研究提供新思路。具体为，针对一般多星编队维持参考轨迹规划问题，研究虚拟参考点规划可实现燃料最优和燃料均衡的机理，并提出最优虚拟参考点的多目标优化求解方法；而针对一类具有虚拟主星的投影面圆（PCO）多星编队，利用其相位角可旋转的特性，提出可同时考虑平面内外J2摄动影响的改进型相位角旋转方法，以进一步降低燃料消耗。本课题研究，对提高多星编队在轨寿命具有重要的理论研究和应用价值。

本项目以利用空间摄动力来最大限度延长多星编队在轨寿命为背景，针对J2摄动下多星编队维持最优参考轨迹规划、基于差分气动力的编队姿轨耦合控制、无控小卫星轨道鲁棒优化设计等问题进行了研究。主要包括：（1）从动力学分析角度入手，在J2摄动影响下，分别提出了基于虚拟参考点和改进相位角旋转的多星编队维持参考轨迹规划方法，数学仿真验证表明所提出的方法较传统方法，在总体燃料消耗和燃料均衡消耗上都能取得更好的效果；（2）给出了一套可同时产生差分气动力和力矩的编队卫星气动板配置方案，并提出基于滑模控制的编队卫星姿轨耦合控制方法，实现了仅利用气动力的编队姿轨耦合控制；（3）针对一类无控小卫星轨道设计问题，考虑大气阻力的不确定性，提出了无控小卫星轨道鲁棒优化设计方法，实现了利用被动摄动力影响，最大化观测收益的轨道设计目标。本项目的研究成果，对提高多星编队在轨寿命及无控小卫星轨道优化设计等方面具有重要的理论研究和应用价值。