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(biāo)重訪周期長等問題的同時(shí)，而引入對(duì)航天器相對(duì)位置、姿態(tài)控制的需求。針對(duì)共位衍射航天器相對(duì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(jié)果表明：基于相對(duì)軌道動(dòng)力學(xué)方程設(shè)計(jì)的快速非奇異滑�？刂坡婶敯粜院谩⑹諗克俣瓤�，能夠達(dá)到兩顆共位衍射電磁航天器沿Z軸保持在10m相對(duì)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(jié)構(gòu)一直保持不變，從而有效完成衍射成像任務(wù)。
關(guān)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(duì)地觀測(cè)是各國航天機(jī)構(gòu)探索的一種高效對(duì)地觀測(cè)方式。低軌對(duì)地觀測(cè)航天器受軌道限制，無法保持對(duì)一個(gè)區(qū)域的連續(xù)并長期觀測(cè)。雖然靜止軌道具備對(duì)特定區(qū)域觀測(cè)的時(shí)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(shù)，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(gè)軌位內(nèi)，形成共位航天器，能夠滿足觀測(cè)的時(shí)間和空間分辨率要求。傳統(tǒng)推力器控制會(huì)對(duì)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(duì)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(diǎn)，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(dòng)力學(xué)具有強(qiáng)非線性和強(qiáng)耦合性特點(diǎn)，這對(duì)相對(duì)姿軌控制提出更高要求。隨著國內(nèi)對(duì)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(gòu)型重構(gòu)方面取得了一定的成就。Sakaguchi利用簡單的一維微電磁編隊(duì)模型對(duì)電磁力機(jī)動(dòng)作用進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明電磁力在近距離編隊(duì)中具有明顯優(yōu)勢(shì)[1]。其 中在電磁建模方面，Schweighart等是最先研究電磁力及力矩遠(yuǎn)場(chǎng)和中距近似模型[2]。
侯振東等[3]建立了攝動(dòng)情況下的電磁編隊(duì)相對(duì)軌道動(dòng)力學(xué)方程。在控制和構(gòu)型重構(gòu)方面，Cai等[4-5]針對(duì)編隊(duì)航天器間電磁力的編隊(duì)保持問題，提出一種前饋和反饋結(jié)合的非線性控制方案，針對(duì)編隊(duì)重構(gòu)優(yōu)化問題設(shè)計(jì)一種具有有限時(shí)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(duì)動(dòng)力學(xué)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(duì)構(gòu)型的穩(wěn)定和構(gòu)型重構(gòu)機(jī)動(dòng)問題。Ahsun等[7-8]針對(duì)電磁航天器深空任務(wù)推導(dǎo)了n個(gè)航天器編隊(duì)的動(dòng)力學(xué)方程，并討論了一種非線性控制律和編隊(duì)重構(gòu)的最優(yōu)時(shí)間問題。針對(duì)控制中存在輸入延時(shí)與擾動(dòng)不確定的問題，蘇建敏等[9]采用前饋加反饋控制編隊(duì)軌跡，徐增文等[10]對(duì)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(gòu)型保持背景給出自適應(yīng)控制律進(jìn)行控制。
近幾年國內(nèi)外很多研究者對(duì)電磁航天器軌道控制方面進(jìn)行了研究[11-12]，其中對(duì)滑�？刂品矫嬉沧隽艘恍┭芯縖13-15]，但這些研究主要集中在電磁航天器在低軌運(yùn)行時(shí)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(duì)航天器姿態(tài)的影響。根據(jù)以上分析，本文主要針對(duì)共位衍射航天器在衍射成像過程中的控制問題，設(shè)計(jì)一種快速非奇異滑�？刂坡桑刂苾深w共位衍射航天器維持相對(duì)距離為沿Z軸相距10m的成像構(gòu)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(shè)計(jì)，基本定義為有效執(zhí)行對(duì)地觀測(cè)任務(wù)，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(gòu)想，兩共位電磁航天器概念。該構(gòu)想由兩個(gè)結(jié)構(gòu)不同的共位電磁航天器構(gòu)成，其中一顆為成像航天器另一顆為衍射航天器。每個(gè)航天器上配備三個(gè)正交的高溫超導(dǎo)線圈產(chǎn)生電磁力和電磁力矩。
針對(duì)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(duì)相對(duì)軌道控制算法進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。針對(duì)基于電磁力的分離式航天器相對(duì)軌道控制問題，侯振東在文獻(xiàn)[16]中提出基于切換策略和平行策略的滑模控制算法，實(shí)現(xiàn)分離式航天器的跟蹤控制。然而，平行策略的引入會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量的增加，無法滿足衍射成像任務(wù)過程中的高效率、快速控制的任務(wù)需求。
此外，滑�？刂扑惴ㄖ杏捎诰仃噷�(dǎo)致的奇異問題，會(huì)使得控制電流局部驟增，產(chǎn)生控制奇異。針對(duì)控制算法的計(jì)算效率問題、奇異問題，本文設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)相對(duì)軌道控制算法，通過控制線圈電流實(shí)現(xiàn)相對(duì)軌道的控制。考慮到控制過程中的電磁力與控制電流、相對(duì)位置、相對(duì)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(shí)現(xiàn)耦合影響的消除，且計(jì)算效率較高。
針對(duì)控制算法中的奇異問題，設(shè)計(jì)切換策略，實(shí)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(yùn)行在軌道 高度為39786km的靜止軌道上，相對(duì)軌道動(dòng)力學(xué)模型主要考慮地球J2項(xiàng)攝動(dòng)。并且兩航天器在飛輪力矩控制下，其體坐標(biāo)系三軸分別跟蹤參考系的三個(gè)坐標(biāo)軸，跟蹤誤差歐拉角以Z-X-Z的轉(zhuǎn)動(dòng)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(shè)定電流幅值100A，線圈半徑1m。相對(duì)軌道的跟蹤軌跡為半徑10m的非自然空間圓軌道。
航天工程評(píng)職知識(shí)：航天控制論文能發(fā)表sci期刊嗎
結(jié)論本文對(duì)高軌共位衍射成像控制方法進(jìn)行了研究，可以得到以下一些結(jié)論：
(1)針對(duì)低軌航天器對(duì)地?zé)o法連續(xù)以及實(shí)時(shí)進(jìn)行觀測(cè)問題，提出一種高軌共位衍射成像方法。對(duì)衍射成像過程中共位航天器的控制問題，設(shè)計(jì)一種快速非奇異滑�？刂坡�。仿真表明，該控制律能夠達(dá)到衍射成像構(gòu)形沿Z軸相距10m的效果。
(2)考慮到實(shí)際控制過程中，電磁力與電磁力矩的強(qiáng)耦合關(guān)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(jié)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(xué)基金、黑龍江省自然科學(xué)基金、哈爾濱市科技創(chuàng)新人才青年基金的資助。
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作者：孫昕竹，吳限德，謝亞恩，崔洪濤
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