基于STK的电磁航天器编队飞行仿真研究

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1、第32卷第5期计算机仿真2015年5月文章编号：1006—9348(2015)05—0095-05基于STK的电磁航天器编队飞行仿真研究徐增文，师鹏，赵育善(北京航空航天大学宇航学院，北京100191)摘要：电磁航天器编队飞行能有效降低发射成本并延长编队在轨寿命，具有广阔的发展前景。针对其强非线性和姿轨耦合的特点，采用STK软件对电磁航天器编队飞行进行仿真研究。首先对电磁航天器编队飞行基本原理进行分析，给出了轨道姿态动力学模型及解耦控制方案。然后设计了仿真系统的结构框架，解决了电磁航天器三维建模

2、、轨道和姿态数据转换、可视化实现等关键技术，还讨论了STK接口规范。最后采用搭建的仿真系统对电磁航天器编队重构进行了仿真研究。仿真结果表明，电磁航天器编队控制效果良好，仿真系统能够满足电磁航天器编队飞行仿真研究的需要，对其它类型航天器编队仿真研究具有一定的指导意义。关键词：电磁航天器；编队飞行；编队重构；卫星工具箱中图分类号：V412．4文献标识码：BDesignofElectromagneticSpacecraftFormationSimulationSystembasedonSTKXUZen

3、g-wen，SHIPeng，ZHA0Yu—shan(CoUegeofAstronautics，BeihangUniversity，Beijing100191，China)ABSTRACT：Electromagneticspacecraftformationisahopefultechnologytodecreaselaunchcostsandextendlife—timesofspacemissions．Inconsiderationofitscomplexity，nonlinearityand

4、couplingoforbitandattitudemotions，simulationresearchofelectromagneticspacecraftformationwasinvestigatedbasedonSTK．Firstly，basicprinciplesofelectromagneticspacecraftformation，includingdynamicmodelsanddecouplingstrategies，wereanalyzed．Thentheframeworko

5、fthesimulationsystemwasdesigned．3Dmodeling，orbitandattitudedataconversion，andvisualizationtechnologieswereinvestigated．Inaddition，STKprograminterfacewasdiscussed．Reconfignrationsofelectromagnet—icspacecraftformationwereanalyzedusingthesimulationsyste

6、m．Resultsshowthefeasibilityofthecontrollawsandthesimulationsystem．Theproposedsimulationsystemhasaguidingsignificancetoothernon—contractspacecraftfor·mationflyingsimulations．KEYWORDS：Electromagneticspacecraft；Formationflying；Formationreeonfiguration；S

7、TK1引言近年来，电磁航天器编队飞行逐渐受到国内外学者的关注【1．2J。由于该技术不仅能够避免火箭发动机羽流污染，还能降低发射质量和发射成本、延长卫星编队的在轨运行寿命，在未来的空间任务中具有广阔的应用前景【3'4J。电磁航天器编队飞行表现出复杂性、非线性和姿轨耦合性等特点¨]。其复杂性表现在研究对象为两颗或多颗电磁航天器，航天器之间有着复杂的电磁相互作用并受地磁场的影响。其非线性表现在电磁航天器相对运动的动力学模型基金项目：国家自然科学基金(11102007)；国家基本科研业务费资助项目(Yw

8、F一14一YHxY一012)收稿日期：2015—02—06修回日期：2015-03—06和电磁力／力矩模型均为非线性模型，还存在不确定性参数和未知干扰力。而由于电磁作用固有的性质，电磁航天器的轨道运动和姿态运动是高度耦合的。针对这些特点，已有文献中基于xPC搭建了电磁航天器编队飞行仿真系统”1，但是该仿真系统存在计算量大，系统搭建难度高等缺点。因此，需要一套简单易用且灵活高效的仿真系统对电磁航天器编队飞行进行仿真研究，从而避免大量重复的复杂运算，同时还能够通过图像、动画等对仿真结果进行直观展示∞