基于非接触力的航天器相对运动动力学与控制研究

基于编队技术的分离模块组合航天器是未来航天器发展的一个趋势。编队涉及到的近距离的空间操作必须考虑羽流效应的影响和碰撞规避问题，这对传统的轨道控制方式提出了新的挑战。本申请旨在研究使用静电力、电磁力等非接触力进行航天器相对运动控制的新方法。利用太阳能电池提供的电能产生电场和磁场，从而得到非接触的星间静电力和电磁力。将非接触力用于航天器的轨道控制可以有效地解决传统轨道控制方式难以解决的问题。本申请将主要对非接触力下的分离模块组合航天器耦合动力学建模理论进行研究，包括星间非接触力的建模、耦合动力学建模等。基于建立的耦合动力学模型，给出使用非接触力进行队形保持和队形重构的控制算法，从而有效地实现分离模块组合航天器的构型稳定和转换。本申请研究的理论和方法可用于模块化航天器的编队队形控制，对于新一代航天器的研制发展具有推动作用，也可以为一般的交会对接、在轨捕获、在轨组装等任务提供技术支持。

随着航天技术的发展，近距离相对运动的研究日益深入。以往大部分研究着重于相对运动控制的研究，但对控制力的实现方式研究甚少。由于燃料质量有限以及可能的羽流污染，常规推力器在相对运动特别是超近距离的相对运动的应用中会受到限制。为解决此问题，本项目对采用星间库仑力和电磁力等非接触力的航天器相对运动的动力学与控制问题进行了深入的研究。.首先，本项目研究了基于库仑力的航天器相对运动动力学与控制问题。分析了航天器在空间等离子体环境中的被动充电现象，总结归纳了库仑航天器的关键技术，推导了库仑航天器的动力学模型；进而设计了相应的控制律并对控制效果进行了评估，以两颗库仑航天器构成的航天器编队为例，探讨了库仑航天器在空间任务中的应用。.其次，本项目还研究了电磁航天器相对运动动力学与控制问题。重点对两颗电磁航天器的相对运动动力学与控制进行了深入探讨。建立了星间电磁力和电磁力矩的计算模型，分析了地磁场对电磁编队的干扰作用，推导了电磁航天器近距离相对运动轨道与姿态模型，并对两颗电磁航天器编队构型的保持与重构控制进行了研究。之后，本项目重点研究了电磁航天器轨道姿态耦合问题。分析了电磁航天器轨道姿态运动耦合的原因及特点，提出了轨道姿态解耦控制策略，提出采用动量轮和控制力矩陀螺进行姿态控制并设计了姿态稳定控制律，同时还采用对偶四元数法研究了基于电磁力和动量轮的六自由度的轨道姿态控制方法。.然后，本项目对多颗电磁航天器相对运动控制问题进行了研究。提出采用基于高斯伪谱法的最优控制方法求解多颗电磁航天器相对运动最优轨迹规划问题，采用改进的人工势能场法研究了多颗电磁航天器编队重构过程中的碰撞规避问题，基于多智能体控制理论，研究了多颗电磁航天器相对运动一致性控制问题，鉴于构型重构过程中对电磁航天器间距的要求，设计了一致性协同控制律。另外，研究表明，多颗非接触力航天器的相对运动控制问题，可以通过序列控制策略，转化为多阶段的运动规划问题，并可以通过多阶段最优控制方法求解。.最后，根据基于非接触力的航天器相对运动的特点，研究了其在轨协同运动控制方面的应用前景，通过数值仿真算例对非接触力模型、近距离相对运动动力学模型和相对运动控制方法进行了仿真分析和验证，并设计了相应的仿真软件。