异构双星编队动力学一体化建模与协同控制方法研究

To meet the demand of dynamic modeling, agile observing, and collaborative control for rigid-flexible heterogeneous two-satellite formation which is deployed for diffraction imaging, we researched a method for relative dynamic modeling and a coordinate control method with high accuracy in relative position and attitude based on dual quaternion for the system. Our research is innovated in describing relative position and attitude motion as well as robust adaptive terminal sliding control theory for the formation. Besides, we established a simulating system in order to verify efficiency of the dynamic modeling and control theory. The theory and method in our application can be used for the formation control of two-satellite diffraction imaging system and also as guidance for further space imaging deployment.

针对面向空间衍射成像的“刚-挠”异构双星编队一体化动力学建模、灵活观测协同控制等问题，研究基于对偶四元数的“刚-挠”异构双星编队相对动力学建模和高精度相对位姿协同控制方法，探索一种“刚-挠”异构编队航天器的相对位姿一体化运动规律描述新方法和基于鲁棒自适应、终端滑模控制理论的一体化编队控制新方法。建立异构双星编队相对位姿一体化动力学模型和控制方法的仿真验证系统，验证动力学建模正确性和控制方法有效性。本申请研究的理论和构建的方法可用于双星衍射成像系统的编队控制，为未来衍射成像系统空间部署提供理论支持。

采用高精度编队组成分布式长基线衍射成像望远镜是实现科学探测及高分辨对地观测等空间任务的有效途径，“刚-挠”异构双星编队动力学建模与控制技术是分布式望远镜任务得以成功实现的重要支撑。申请人通过分析衍射成像编队任务的动力学与控制需求，结合团队前期在一体化动力学建模与控制技术方面的研究基础，完成了衍射成像系统对异构双星编队的要求分析、异构双星编队动力学建模、异构双星编队相对位置和姿态高精度协同控制、异构双星编队动力学与控制地面数值仿真验证四项研究内容。根据申请书中的关键技术，主要取得了两项成果。首先，构建了异构双星编队一体化动力学模型，描述了姿轨耦合与刚柔耦合同时作用下的交叉耦合效应对相对运动的影响，并对动力学方程进行简化，使其可用于控制器设计；在此基础上，突破了编队构型变换和构型保持的一体化控制技术，分别提出了有限时间约束的编队构型快速变换控制方法和外界干扰下的高精度编队构型保持控制方法。相关研究成果发表论文23篇，其中SCI检索13篇，EI检索10篇；申请专利4项，授权3项；出版译著1部；培养研究员1名，毕业博士研究生1名、硕士研究生3名。综上所述的研究内容与研究成果，充分剖析并解决了“刚-挠”异构双星编队动力学与控制难点问题，初步梳理了一种异构双星编队一体化动力学与控制的发展方向，为分布式长基线衍射成像望远镜任务的动力学建模与控制技术发展提供了一种可行方案，同时为一体化建模方法及姿轨耦合建模方法在挠性航天器、挠性航天器编队任务中的拓展应用提供了启示性思路。