卫星库仑力编队飞行及控制发展研究综述

卫星库仑力编队作为一种全新的相对运动控制方式,与传统编队方法相比具有很大优势。本文综述了国内外有关库伦力编队问题的发展历程,对库仑编队的动力学建模和系统控制方法和稳定性的研究现状进行了整理和总结,并进一步指出研究方向。

库仑力卫星编队动力学建模及基本稳定条件分析

分析了空间德拜屏蔽效应对库伦力编队应用范围的影响,根据库伦力编队静止轨道最佳应用前提,建立了基于拉格朗日方程的地球同步轨道库仑力卫星编队动力学模型并对其进行简化,讨论了沿地心和沿轨道面法线方向存在两星库伦力编队稳定构形的基本平衡条件。仿真结果表明:为提高库伦力编队效率以节约能源,应减小编队距离,减轻卫星质(重)量,同时尽可能增大卫星外表面体积。

人工平动点附近混合推进航天器编队滑模控制保持

针对近距离航天器编队在日地系人工L1点附近的飞行控制问题,提出一种将太阳帆推进技术与库仑力编队技术相结合的混合推进控制方法。通过控制从航天器太阳帆相对于主航天器的姿态角调整主从间光压力差,同时与主从间库仑力相配合,既解决仅依靠太阳帆控制而存在的欠驱动问题,又改善了库仑编队的可控性。以太阳帆圆形限制性三体问题(SSCRTBP)模型为基础,给出共线人工平动点位置的计算方法,并构造主航天器运行轨道;引入航天器间库仑力,推导出混合推进编队相对运动方程;设计了固定时间滑模控制策略,以从航天器太阳帆的2个姿态角和主从间电荷积为控制量,对编队构型进行控制,将其与LQR控制策略对比,仿真结果表明:固定时间滑模控制策略在控制精度、所需时间、能量消耗等方面均优于LQR控制策略。在时长3年的任务中,编队仅用23天就展开完毕,保持阶段基线相对误差小于1%,其他两轴误差在厘米量级,整个过程无工质消耗,对于今后开展长期深空探测任务具有重要意义。

地球同步轨道三星编队位置平衡研究

针对三卫星库仑力编队在地球同步轨道构型与指向控制问题,研究编队位置平衡解.旨在为稳定控制设计提供能控性依据与前馈平衡解。研究挑战一方面在于三星库仑力编队系统的仿射非线性,另一方面需保证平衡电荷解为实数解。首先在希尔坐标系下建立以构形参数为自变量的动力学模型,然后在特定假设条件下根据平衡解条件去解算平衡解对应的构形参数与控制输入,使得库仑力和重力抵消掉航天器间的相对加速度,实现航天器相对希尔坐标系的位置保持。最后通过数值方法得到了等腰三角形编队在不同希尔坐标轴平面内电荷量与方位角和顶角的关系,以及可行域百分比与顶角的关系。