本文摘要：摘要：為了滿足衍射成像系統(tǒng)在解決低軌遙感航天器覆蓋范圍
摘要：為了滿足衍射成像系統(tǒng)在解決低軌遙感航天器覆蓋范圍小、目標重訪周期長等問題的同時，而引入對航天器相對位置、姿態(tài)控制的需求。針對共位衍射航天器相對位置、姿態(tài)控制過程中傳統(tǒng)推力器帶來的羽流污染問題，采用電磁推力器和飛輪作為執(zhí)行器，設計一種基于快速非奇異滑模的軌道控制器和基于PID的姿態(tài)控制器。所設計的快速非奇異滑模軌道控制器為共位衍射航天器頻繁位置調(diào)整提供控制保障，基于PID的姿態(tài)控制器能夠消除由電磁力耦合產(chǎn)生的電磁干擾力矩。研究結果表明：基于相對軌道動力學方程設計的快速非奇異滑�？刂坡婶敯粜院�、收斂速度快，能夠達到兩顆共位衍射電磁航天器沿Z軸保持在10m相對距離的控制效果。在軌道調(diào)整過程中，其姿態(tài)能夠通過PID算法穩(wěn)定控制到期望姿態(tài)，使衍射成像結構一直保持不變，從而有效完成衍射成像任務。
關鍵詞：靜止軌道;共位;衍射成像;電磁航天器;滑�？刂�
高軌高分辨率對地觀測是各國航天機構探索的一種高效對地觀測方式。低軌對地觀測航天器受軌道限制，無法保持對一個區(qū)域的連續(xù)并長期觀測。雖然靜止軌道具備對特定區(qū)域觀測的時間分辨率，但因軌道過高，其空間分辨率難以保證。采用衍射成像技術，將衍射薄膜航天器和成像航天器分別部署于靜止軌道一個軌位內(nèi)，形成共位航天器，能夠滿足觀測的時間和空間分辨率要求。傳統(tǒng)推力器控制會對衍射薄膜和成像航天器造成污染，因此，采用電磁力作為推力是衍射成像系統(tǒng)相對姿態(tài)和軌道的理想控制力。
由于航天器使用電磁力具備無羽流污染、工作壽命長和可靠性高等優(yōu)點，尤其適合于需要軌道和姿態(tài)定期控制的共位衍射航天器。共位衍射電磁航天器的姿軌耦合動力學具有強非線性和強耦合性特點，這對相對姿軌控制提出更高要求。隨著國內(nèi)對電磁航天器方面的研究逐漸深入，很多研究者在電磁航天器建模、控制和構型重構方面取得了一定的成就。Sakaguchi利用簡單的一維微電磁編隊模型對電磁力機動作用進行了驗證，結果表明電磁力在近距離編隊中具有明顯優(yōu)勢[1]。其 中在電磁建模方面，Schweighart等是最先研究電磁力及力矩遠場和中距近似模型[2]。
侯振東等[3]建立了攝動情況下的電磁編隊相對軌道動力學方程。在控制和構型重構方面，Cai等[4-5]針對編隊航天器間電磁力的編隊保持問題，提出一種前饋和反饋結合的非線性控制方案，針對編隊重構優(yōu)化問題設計一種具有有限時間收斂能力的魯棒軌跡跟蹤控制器。Shao等[6]根據(jù)拉格朗日理論建立的低軌電磁編隊動力學模型，采用了高斯偽譜方法、順序控制策略和高斯偽譜優(yōu)化軟件(GPOPS)解決了編隊構型的穩(wěn)定和構型重構機動問題。Ahsun等[7-8]針對電磁航天器深空任務推導了n個航天器編隊的動力學方程，并討論了一種非線性控制律和編隊重構的最優(yōu)時間問題。針對控制中存在輸入延時與擾動不確定的問題，蘇建敏等[9]采用前饋加反饋控制編隊軌跡，徐增文等[10]對兩航天器之間控制力的求解方面給出了基于能量消耗均衡下的控制磁矩的解析解，并根據(jù)構型保持背景給出自適應控制律進行控制。
近幾年國內(nèi)外很多研究者對電磁航天器軌道控制方面進行了研究[11-12]，其中對滑模控制方面也做了一些研究[13-15]，但這些研究主要集中在電磁航天器在低軌運行時的控制，并且沒有考慮具體由電磁力耦合產(chǎn)生的電磁力矩對航天器姿態(tài)的影響。根據(jù)以上分析，本文主要針對共位衍射航天器在衍射成像過程中的控制問題，設計一種快速非奇異滑�？刂坡�，控制兩顆共位衍射航天器維持相對距離為沿Z軸相距10m的成像構形，并利用PID姿態(tài)控制器消除控制電磁力耦合產(chǎn)生電磁力矩所帶來的干擾姿態(tài)，為共位衍射電磁航天器在軌控制提供一種解決方案。
基于快速非奇異滑模的軌道控制算法設計，基本定義為有效執(zhí)行對地觀測任務，提出由靜止軌道兩共位電磁航天器組成的衍射成像系統(tǒng)構想，兩共位電磁航天器概念。該構想由兩個結構不同的共位電磁航天器構成，其中一顆為成像航天器另一顆為衍射航天器。每個航天器上配備三個正交的高溫超導線圈產(chǎn)生電磁力和電磁力矩。
針對薄膜衍射航天器的姿態(tài)控制本文采用PID控制算法，算法證明過程就不再贅述，本文主要針對相對軌道控制算法進行詳細設計。針對基于電磁力的分離式航天器相對軌道控制問題，侯振東在文獻[16]中提出基于切換策略和平行策略的滑�？刂扑惴�，實現(xiàn)分離式航天器的跟蹤控制。然而，平行策略的引入會導致計算量的增加，無法滿足衍射成像任務過程中的高效率、快速控制的任務需求。
此外，滑�？刂扑惴ㄖ杏捎诰仃噷е碌钠娈悊栴}，會使得控制電流局部驟增，產(chǎn)生控制奇異。針對控制算法的計算效率問題、奇異問題，本文設計基于自由磁偶極子和切換控制策略的非奇異滑模控制算法。首先，基于非奇異終端滑模理論設計相對軌道控制算法，通過控制線圈電流實現(xiàn)相對軌道的控制。考慮到控制過程中的電磁力與控制電流、相對位置、相對速度、方位角、速度之間的耦合影響，引入自由磁偶極子策略實現(xiàn)耦合影響的消除，且計算效率較高。
針對控制算法中的奇異問題，設計切換策略，實現(xiàn)奇異問題的規(guī)避。仿真中兩顆共位衍射電磁航天器都運行在軌道 高度為39786km的靜止軌道上，相對軌道動力學模型主要考慮地球J2項攝動。并且兩航天器在飛輪力矩控制下，其體坐標系三軸分別跟蹤參考系的三個坐標軸，跟蹤誤差歐拉角以Z-X-Z的轉動定義，周期約為軌道周期的1/100。兩航天器質(zhì)量均為500kg，電磁線圈每軸1000匝，仿真中設定電流幅值100A，線圈半徑1m。相對軌道的跟蹤軌跡為半徑10m的非自然空間圓軌道。
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結論本文對高軌共位衍射成像控制方法進行了研究，可以得到以下一些結論：
(1)針對低軌航天器對地無法連續(xù)以及實時進行觀測問題，提出一種高軌共位衍射成像方法。對衍射成像過程中共位航天器的控制問題，設計一種快速非奇異滑�？刂坡�。仿真表明，該控制律能夠達到衍射成像構形沿Z軸相距10m的效果。
(2)考慮到實際控制過程中，電磁力與電磁力矩的強耦合關系，在航天器本體系三軸方向安裝反作用飛輪，采用PID控制姿態(tài)保持不變，通過仿真結果可以看出，薄膜衍射航天器的飛輪輸出角速度最后穩(wěn)定在控制需求內(nèi)。致謝：感謝國家自然科學基金、黑龍江省自然科學基金、哈爾濱市科技創(chuàng)新人才青年基金的資助。
參考文獻：
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作者：孫昕竹，吳限德，謝亞恩，崔洪濤
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