日地系统平动点附近混合编队飞行动力学与控制

平动点附近轨道卫星系统在深空探测中有巨大的应用前景，研究多个航天器在平动点附近轨道上的自由编队以及绳系卫星编队的动力学与控制，在国内外都是新课题。本项目拟对基于平动点附近轨道上的自由卫星与绳系卫星的混合编队系统动力学与控制进行研究，基于Hill限制性三体问题，采用柔性系绳模型，建立描述母卫星轨道运动，子卫星相对母卫星的姿态运动以及系绳振动的耦合动力学模型；通过无控制力作用下系统动力学的数值仿真，研究影响系统稳定性的各种关键因素，深入了解平动点附近混合编队系统运动的特点；结合自由编队的轨道控制以及绳系卫星的姿态与系绳振动的控制方法，探索高效、精密、实时、易行的非线性系统控制方法，实现对轨道运动，构型保持以及系绳振动的混合控制，进一步还可考虑编队重构阶段的动力学与控制。为我国未来的深空探测、空天安全提供理论与技术储备，促进动力学与控制的基础理论与应用研究。

位于平动点附近的航天器编队飞行，可实现若干新型的空间科学任务，进一步提升人类深空探测的能力。与近地轨道卫星的大量研究文献相比，目前平动点附近的绳系卫星动力学与控制的相关文献相对较少，有关混合编队的就更少了, 且通常假设姿态运动和系统质心的轨道运动不耦合。本项目取得了如下几项主要研究成果：(1) 基于Hill限制性三体问题，考虑姿-轨耦合，建立日-地系统平动点附近多体绳系卫星编队系统的非线性耦合动力学模型，系统由位于中心的母卫星与n颗子卫星通过可变长度系绳连接成轮辐状, 可用于静态/动态编队的动力学分析和控制器设计，包括具有绳长不变的留位阶段以及绳长可变的重构(展开/回收）阶段；(2) 针对母卫星非常接近平动点的绳系静态编队系统，利用完全非线性时变动力学方程作数值仿真，对各卫星具有相同初始位置的绳系编队和自由编队稳定性进行对比，并研究静态编队处于留位以及重构阶段的耦合动力学；(3) 针对母卫星位于较大Halo周期轨道上的绳系动态编队系统，利用完全非线性时变动力学方程作数值仿真，研究动态编队处于留位以及重构阶段的耦合动力学；(4) 基于最优控制理论的非线性最优跟踪控制方法，即近似序列Riccati方程方法(ASRE)，通过引入区段混合能矩阵和精细积分法，对ASRE进行精细求解，设计了平动点周期轨道的非线性留位控制器。在相同参数下，与基于平动点线性化系统方程的LQR的控制效果比较，结果表明，非线性跟踪控制方法在控制较大平动点周期轨道中，具有跟踪精度高，节省燃料，减小计算时间等方面的优越性；并且研究位于日-地系统L2点附近较大Halo周期轨道上的绳系动态编队的轨道控制问题，通过数值仿真验证控制算法的有效性；(5) 设计平动点轨道上自由编队飞行的周期最优控制器，同时提出几种求解周期Riccati微分方程的新算法以及求解天体动力学非线性两点边值问题的辛自适应算法；(6) 针对三角形绳系卫星编队，考虑姿-轨耦合，建立日-地系统平动点附近绳系编队系统的非线性耦合动力学模型，可用于动态编队的动力学分析和控制器设计，包括具有绳长不变的留位阶段以及绳长可变的重构阶段。