[发明专利]一种基于电磁力的多集群航天器构形重构控制方法

说明书

本发明提供一种基于电磁力的多集群航天器构形重构控制方法，分析了多航天器系统与双航天器系统的区别；设计了集群航天器重构构形；在此基础上，采用自抗扰控制方法实现集群航天器的相对运动控制，得到期望控制电磁力；在分析磁矩与电流的关系后，通过将电流分配问题转化为非线性优化问题，最终实现各航天器线圈电流的最优分配；采用自抗扰控制方法进行集群航天器控制工程可实现性强；电流最优分配方法能够控制各航天器线圈电流以实现期望电磁控制力，并使总干扰力矩最小。

技术领域

本发明属于多航天器系统控制和磁矩分配方法研究技术领域，具体涉及一种基于电磁力的多集群航天器构形重构控制方法。

背景技术

电磁卫星编队是通过将每颗卫星都配备磁偶极子，利用电磁相互作用来实现对集群航天器相对运动的控制。如今已有一些关于分布式卫星的项目，例如美国曾经提出的F6系统；CLUSTER mission利用四颗卫星组成四面体构形编队对地磁场进行探测；PRISMAmission证实了近距离协同飞行的能力；NASA的行星探测器计划，用来探测类似地球的行星；高精度干涉合成孔径雷达任务、Darwin计划、LISA计划也均应用集群航天器。

Ahsun针对多颗低轨电磁编队卫星，不仅建立了电磁编队的相对运动模型，而且在建立了磁矩模型、地磁场模型的基础上建立了姿态动力学模型，设计自适应姿态跟踪控制律，应用三个正交的反作用飞轮来实现姿态的分散控制；在文献(“Control ofElectromagnetic Satellite Formations in Near-Earth Orbits”.Journal ofGuidance，Control，and Dynamics.2010，33(6))中应用了非线性自适应控制方法对编队进行维持和重构。针对多航天器系统的控制研究，苏建敏等(《利用人工势函数法的卫星电磁编队控制》.北京航空航天大学学报，2012，38(2))采用人工势能控制。徐增文等(《基于STK的电磁航天器编队飞行仿真研究》.计算机仿真.2015，32(5))采用STK软件，采用人工势场法进行相对轨道控制，采用滑模控制进行姿态稳定控制，实现了三个航天器组成的电磁编队的重构仿真分析。

Ahsun等针对多颗电磁编队卫星的情况，将磁矩分配问题转换为一个最优化问题，以每颗卫星反作用飞轮的积累角动量最小为优化目标，实现期望控制效果。Abbott等(“Computing Minimum-power Dipole Solutions for Interdipole Forces UsingNonlinear Constrained Optimization with Application to ElectromagneticFormation Flight”.IEEE Robotics and Automation Letters.2017，2(2))利用序列二次规划方法求解磁矩，使线圈功耗最小，但是该方法没有考虑地磁场和航天器间的干扰力矩对航天器系统的影响。

本发明提出一种基于电磁力的多集群航天器构形重构控制方法，分析了多航天器系统与双航天器系统的区别；设计了集群航天器重构构形；在此基础上，采用自抗扰控制方法实现集群航天器的相对运动控制，得到期望控制电磁力；在分析磁矩与电流的关系后，通过将电流分配问题转化为非线性优化问题，最终实现各航天器线圈电流的最优分配。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于电磁力的多集群航天器构形重构控制方法，包括以下步骤：

步骤1：分析多航天器系统与双航天器系统的区别；

在研究两个基于电磁力的集群航天器的基础上，将研究对象扩展为多个，以四个航天器为例；研究多个航天器的控制和磁矩分配问题研究时，由于电磁力是内力，不仅要考虑一个航天器对其他航天器的作用，还需要考虑其他航天器之间的相互作用，以及该航天器对其他航天器作用的分配问题；

步骤2：设计多航天器系统重构目标构形；