电流频率/相位调制的航天器电磁操控问题研究

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航天器电磁操控是一种新的在轨服务技术,通过在航天器上安装三个正交的超导线圈产生任意方向的电磁力控制航天器间的相对运动。与传统惯性推力相比,星间电磁力具有无推进剂消耗、连续、可逆、无羽流污染等优点,在对地观测、空间探测等领域有广阔的应用前景。然而,任意两个通电线圈间都会产生电磁力,这使得多航天器电磁操控动力学分析变得异常复杂,针对这一问题,论文设计了电流频率/相位调制方法达到简化目的,基于此,还研究了磁矩方程组求解、考虑输入时延的航天器位置控制、航天器姿态控制和角动量管理等问题。(1)在线圈中通以简谐电流,通过设计集群中各航天器上的电流频率与相位,实现任意两航天器间电磁力等效解耦(积分近似为0)或电磁力效果最大化(积分最大),如此则每颗航天器可有选择地只与集群中部分航天器相互作用,简化了动力学模型;从减小交流能量损耗和易于控制相位角度考虑,在满足等效解耦条件下,给出了最小频率设计方法。(2)使用同伦延拓法求解了磁矩方程组,首先预处理方程组以便于数值求解;而后构造了同伦方程,设计了同伦路径跟踪算法;针对3电磁航天器相互作用的一个数值算例,求得了磁矩解。(3)针对电磁感应及求解磁矩方程组带来的输入时延,考虑其为已知定常时延,同时考虑电磁力模型的误差与环境干扰力的存在,将航天器相对位置控制建模为线性不确定系统,采用预测方法对时延进行补偿,设计了基于时延补偿的滑模控制策略;通过数值仿真验证了控制策略的有效性。(4)考虑外界干扰力矩,设计了自适应滑模控制策略用于姿态控制;针对星间电磁力矩造成的角动量累积,分析地磁场对角动量卸载的影响,提出了在24h内优选机动窗口的方法,实现了角动量的高效卸载,并基于此设计了角动量管理方法;通过数值仿真验证了控制策略的性能和角动量卸载方法的高效性。
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