留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

电磁航天器编队悬停鲁棒协同控制方法

张亚博 师鹏 张皓 赵育善

张亚博, 师鹏, 张皓, 等 . 电磁航天器编队悬停鲁棒协同控制方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(2): 388-397. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0282
引用本文: 张亚博, 师鹏, 张皓, 等 . 电磁航天器编队悬停鲁棒协同控制方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(2): 388-397. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0282
ZHANG Yabo, SHI Peng, ZHANG Hao, et al. A robust coordinated control method for hovering of electromagnetic spacecraft formation[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2019, 45(2): 388-397. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0282(in Chinese)
Citation: ZHANG Yabo, SHI Peng, ZHANG Hao, et al. A robust coordinated control method for hovering of electromagnetic spacecraft formation[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2019, 45(2): 388-397. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0282(in Chinese)

电磁航天器编队悬停鲁棒协同控制方法

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0282
基金项目: 

国家自然科学基金 11572019

中国科学院太空应用重点实验室开放基金 LSU-2016-07-02

中国科学院百人计划 

详细信息
    作者简介:

    张亚博  男, 硕士研究生。主要研究方向:航天器动力学与控制、卫星编队飞行技术

    师鹏  男, 博士, 讲师, 硕士生导师。主要研究方向:航天器总体设计、航天器动力学与控制

    张皓  男, 博士, 副研究员, 硕士生导师。主要研究方向:航天器动力学与控制

    赵育善  男, 博士, 教授, 博士生导师。主要研究方向:航天器动力学与控制

    通讯作者:

    师鹏, E-mail: shipeng@buaa.edu.cn

  • 中图分类号: V412.4

A robust coordinated control method for hovering of electromagnetic spacecraft formation

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 11572019

the Open Research Fund of Key Laboratory of Space Utilization of Chinese Academy of Sciences LSU-2016-07-02

100 Talents Program of the Chinese Academy of Sciences 

More Information
  • 摘要:

    针对电磁航天器编队近地轨道悬停问题,提出一种在缺少参考轨道准确信息时的协同控制方法。用TH方程描述航天器间的相对运动,选择与参考轨道同周期的圆轨道为标称轨道。将参考轨道相对于标称圆轨道的偏差、地球非球形引力、大气阻力及其他天体引力等参数单独归类,视其为不确定量,构成不确定系统。通过引入一致性理论,在电磁作用模型和动力学方程均存在不确定性的条件下,针对航天器编队悬停的目标设计了鲁棒协同控制律。考虑能量消耗最优和均衡以及轨道姿态解耦,给出了通过优化进行磁矩配置的方案。仿真结果表明,所设计的鲁棒协同控制律能够实现编队电磁航天器高精度悬停,所给出的磁矩配置方案能够实现磁矩的合理分配。

     

  • 图 1  电磁线圈相互作用示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of electromagnetic coil interaction

    图 2  磁偶极子相互作用示意图

    Figure 2.  Schematic diagram of magnetic dipole interaction

    图 3  航天器编队悬停参考系

    Figure 3.  Spacecraft formation hovering coordinate system

    图 4  电磁航天器悬停编队构型

    Figure 4.  Hovering formation configuration of electromagnetic spacecraft

    图 5  AB相对位置跟踪误差曲线

    Figure 5.  Tracking error curves of AB relative position

    图 6  CD相对位置跟踪误差曲线

    Figure 6.  Tracking error curves of CD relative position

    图 7  AB相对速度跟踪误差曲线

    Figure 7.  Tracking error curves of AB relative velocity

    图 8  CD相对速度跟踪误差曲线

    Figure 8.  Tracking error curves of CD relative velocity

    图 9  控制磁矩曲线

    Figure 9.  Curves of control magnetic moment

    图 10  电磁力曲线

    Figure 10.  Curves of electromagnetic force

    图 11  编队悬停外力曲线

    Figure 11.  Curve of formation hovering external force

    图 12  暂态构型维持位置误差曲线

    Figure 12.  Curve of transient configuration position keeping error

    图 13  能量消耗对比

    Figure 13.  Comparison of energy consumption

    表  1  参考轨道参数

    Table  1.   Reference orbital parameters

    轨道参数 数值
    a/km 7 371
    e 0.01
    i/(°) 45
    Ω/(°) 45
    ω/(°) 30
    θ/(°) 0
    下载: 导出CSV

    表  2  状态初值信息

    Table  2.   Initial value information of state

    参数 期望值X 初始摄动值δx
    位置/m 5×rand(-1, 1), rand(-1, 1)表示(-1, 1)区间的随机数
    速度/
    (m·s-1)
    [0 0 0] 0.01×rand(-1, 1)
    下载: 导出CSV
  • [1] 林来兴, 黎康.卫星对空间目标悬停的轨道动力学与控制方法研究[J].中国空间科学技术, 2008, 28(1):9-12. doi: 10.3321/j.issn:1000-758X.2008.01.002

    LIN L X, LI K.Orbit dynamics and control of satellites hovering over space target[J].Chinese Space Science and Technology, 2008, 28(1):9-12(in Chinese). doi: 10.3321/j.issn:1000-758X.2008.01.002
    [2] 朱亚文, 闫野.椭圆轨道卫星空间任意位置悬停的方法[J].中国空间科学技术, 2010, 30(6):17-23. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zgkjkxjs201006003

    ZHU Y W, YAN Y.Hovering method at any selected position over space target on elliptical orbit[J].Chinese Space Science and Technology, 2010, 30(6):17-23(in Chinese). http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zgkjkxjs201006003
    [3] 林来兴, 张小琳.纳型卫星编队飞行技术现状及发展趋势[J].航天器工程, 2017, 26(5):65-73. doi: 10.3969/j.issn.1673-8748.2017.05.011

    LIN L X, ZHANG X L.Current status and developing trends of nanosatellites formation flying[J].Spacecraft Engineering, 2017, 26(5):65-73(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1673-8748.2017.05.011
    [4] 张皓, 师鹏, 李保军, 等.利用库仑力实现悬停轨道的新方法研究[J].宇航学报, 2012, 33(1):68-75. doi: 10.3873/j.issn.1000-1328.2012.01.010

    ZHANG H, SHI P, LI B J, et al.Hover orbit using inter-spacecraft coulomb forces[J].Journal of Astronautics, 2012, 33(1):68-75(in Chinese). doi: 10.3873/j.issn.1000-1328.2012.01.010
    [5] 李俊峰, 龚胜平.非开普勒轨道动力学与控制[J].宇航学报, 2009, 30(1):47-53. doi: 10.3873/j.issn.1000-1328.2009.00.009

    LI J F, GONG S P.Dynamics and control of the non-Keplerian orbits[J].Journal of Astronautics, 2009, 30(1):47-53(in Chinese). doi: 10.3873/j.issn.1000-1328.2009.00.009
    [6] HUANG J, LI C, MA G, et al.Coulomb control of a triangular three-body satellite formation using nonlinear model predictive method[C]//Proceedings of the 33rd Chinese Control Conference.Piscataway, NJ: IEEE Press, 2014: 7685-7690.
    [7] POLLOCK G E, GANGESTAD J W, LONGUSKI J M.Inclination change in low-earth orbit via the geomagnetic Lorentz force[J].Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2010, 33(5):1387-1395. doi: 10.2514/1.48610
    [8] KWON D W.Propellantless formation flight applications using electromagnetic satellite formations[J].Acta Astronautica, 2010, 67(9-10):1189-1201. doi: 10.1016/j.actaastro.2010.06.042
    [9] KONG E M C, KWON D W, SCHWEIGHART S A, et al.Electromagnetic formation flight for multi-satellite arrays[J].Journal of Spacecraft & Rockets, 2004, 41(4):659-666. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=e0c766c5cdeb4d2395ba02ff9c745f91
    [10] 魏伟, 左敏, 苏婷立, 等.航天器对接的全局渐近稳定控制[J].清华大学学报(自然科学版), 2016, 56(1):106-110. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-QHXB201601016.htm

    WEI W, ZUO M, SU T L, et al.Global asymptotically stable control for spacecraft docking[J] Journal of Tsinghua University(Science and Technology), 2016, 56(1):106-110(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-QHXB201601016.htm
    [11] ELIAS L M, KWON D W, SEDWICK R J, et al.Electromagnetic formation flight dynamics including reaction wheel gyroscopic stiffening effects[J].Journal of Guidance, Control, and & Dynamics, 2007, 30(2):499-511. http://d.old.wanfangdata.com.cn/NSTLQK/NSTL_QKJJ028611825/
    [12] 黄涣, 杨乐平, 朱彦伟, 等.双星电磁编队的动力学平衡态稳定性与控制[J].国防科技大学学报, 2013, 35(3):12-17. doi: 10.3969/j.issn.1001-2486.2013.03.003

    HUANG H, YANG L P, ZHU Y W, et al.Stability and control of dynamics equilibrium for two-spacecraft electromagnetic formation[J].Journal of National University of Defense Technology, 2013, 35(3):12-17(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1001-2486.2013.03.003
    [13] 徐增文, 师鹏, 赵育善.双电磁航天器编队构型保持自适应控制[J].北京航空航天大学学报, 2015, 41(12):2302-2308. http://bhxb.buaa.edu.cn/CN/abstract/abstract13644.shtml

    XU Z W, SHI P, ZHAO Y S.Adaptive control for two-spacecraft electromagnetic formation keeping[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2015, 41(12):2302-2308(in Chinese). http://bhxb.buaa.edu.cn/CN/abstract/abstract13644.shtml
    [14] 邵龙飞, 师鹏, 赵育善.电磁航天器编队动力学建模与运动规划方法[J].北京航空航天大学学报, 2015, 41(4):737-743. http://bhxb.buaa.edu.cn/CN/abstract/abstract13229.shtml

    SHAO L F, SHI P, ZHAO Y S.Dynamics modeling and motion programming for electromagnetic formation flight[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2015, 41(4):737-743(in Chinese). http://bhxb.buaa.edu.cn/CN/abstract/abstract13229.shtml
    [15] KWON D W, SEDWICK R J, LEE S I, et al.Electromagnetic formation flight testbed using superconducting coils[J].Journal of Spacecraft & Rockets, 2011, 48(1):124-134. http://d.old.wanfangdata.com.cn/NSTLQK/NSTL_QKJJ0224294024/
    [16] AHSUN U, MILLER D W.Dynamics and control of electromagnetic satellite formations[C]//American Control Conference.Piscataway, NJ: IEEE Press, 2007: 1730-1735.
    [17] MILLER D W, AHSUN U, RAMIREZRIBEROS J L.Control of electromagnetic satellite formations in near-earth orbits[J].Journal of Guidance, Control and Dynamics, 2010, 33(6):1883-1891. doi: 10.2514/1.47637
    [18] 胡敏, 曾国强, 党朝辉.近地轨道集群航天器电磁编队飞行非线性反馈控制方法[J].空间科学学报, 2012, 32(3):417-423. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=QK201201701169

    HU M, ZENG G Q, DANG Z H.Nonlinear feedback control of fractionated spacecraft electromagnetic formation flying in low-earth obrit[J].Chinese Journal of Space Science, 2012, 32(3):417-423(in Chinese). http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=QK201201701169
    [19] ZENG G, HU M.Finite-time control for electromagnetic satellite formations[J].Acta Astronautica, 2012, 74(3):120-130. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=f97371f68781fce242b1cb46bc8c3470
    [20] ZHANG J, YUAN C, JIANG D, et al.Adaptive terminal sliding mode control of electromagnetic spacecraft formation flying in near-earth orbits[J].Advances in Mechanical Engineering, 2014, 2014(1):512583. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=ec4d4af00ce23d1849a5ceeaf4bfae98
    [21] 齐彧.电磁航天器编队飞行关键技术研究[D].北京: 北京航空航天大学, 2017.

    QI Y.Research on key technology of electromagnetic satellites formation flight[D].Beijing: Beihang University, 2017(in Chinese).
    [22] ZHANG B Q, SONG S M.Decentralized coordinated control for multiple spacecraft formation maneuvers[J].Acta Astronautica, 2012, 74:79-97. doi: 10.1016/j.actaastro.2011.12.017
  • 加载中
图(13) / 表(2)
计量
  • 文章访问数:  437
  • HTML全文浏览量:  41
  • PDF下载量:  308
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2018-05-18
  • 录用日期:  2018-07-05
  • 刊出日期:  2019-02-20

目录

    /

    返回文章
    返回
    常见问答