电磁航天器编队动力学建模与运动规划方法

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1、2015年4月第4l卷第4期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsApril2015V01．4lN0．4http：／／bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．enDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2014．0305电磁航天器编队动力学建模与运动规划方法邵龙飞，师鹏+，赵育善(北京航空航天大学宇航学院，北京100191)摘要：基于电磁航天器作用原理，利用拉格朗日方法，建立电磁航天器“绳系”动力学模型．基于偏差线性化动力学模型，以

2、切向、径向编队为例，分析编队构型保持稳定性，设计构型保持控制律；将双星电磁航天器编队(EMFF，ElectromagneticFormationFlight)重构运动规划问题转化为标准优化问题，利用高斯伪谱优化方法进行求解．并提出序列控制策略，将该双星模型扩展应用于多星电磁编队构型重构问题，转化为多阶段运动规划问题利用多阶段优化方法进行求解．仿真结果表明本文的动力学建模方法和控制方法是可行的．关键词：电磁航天器；编队飞行；构型重构；序列控制；运动规划中图分类号：V412．4文献标识码：A文章编号：1001—5965(2015)04-0737-07为解决常规推

3、力航天器编队的不足(推进剂的消耗影响编队飞行的寿命；推力器排出的羽流可能会对邻近航天器造成冲击，或对其光学器件造成污染，影响成像等)，人们提出了采用电磁作用系统，通过航天器之间电磁力及电磁力矩来实现编队控制¨。．电磁航天器的研究始于2000年¨1，Miller和Kong旧。41等首先提出了电磁编队飞行的概念，对其优点、理论基础、实施方案、可行性及设计等进行了分析．文献[5]建立了近地轨道电磁编队动力学模型，设计了自适应姿轨控制律．文献[6]考虑电磁编队位置跟踪的输入延时和扰动不确定因素，设计了滑模变结构控制律．杨乐平等¨‘9。对电磁编队保持及构型稳定性进行了

4、研究．文献[8]基于Kane方法建立了双星电磁编队6自由度姿轨耦合动力学模型，分析了构型稳定性．文献[9]分析了三星电磁编队相对构型及稳定性．文献[10]基于人工势能函数方法，对电磁编队运动轨迹的规划与控制进行了研究．Inampudi等⋯。驯给出了近地轨道和拉格朗日点附近的双星库仑编队动力学模型，对编队轨迹优化进行研究．2013年，SPPL实验室建立了共振感应近场产生系统(RINGS，ResonantInductiveNear—fieldGenerationSystem)，在国际空间站进行了在轨实验，验证了电磁力推进和无线能源传送技术¨““1．本文建立双星电

5、磁航天器“绳系”动力学，并对其构型稳定性及保持进行分析，将电磁编队重构转化为运动规划问题，提出序列控制策略来解决高非线性多星电磁编队问题，最后通过多星电磁编队仿真验证模型及控制的有效性．1电磁航天器编队动力学模型1．1电磁系统模型电磁航天器通过安装一套三轴正交通电线圈，改变线圈电流产生电磁作用力，来实现航天器编队相对位置控制．基于电磁远场模型，电磁航天收稿日期：2014-05-28；录用日期：2014-09-01；网络出版时间：2014-09-1917：59网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／doi／lO．13700／j．bh．1001-596

6、5．2014．0305．html基金项目：国家自然科学基金资助项目(11102007)；中央高校基本科研业务费资助项目(YwF一14-YHXY-012)作者简介：邵龙飞(1989一)，男，陕西汉中人，硕士生，shaolongfei@sina．cn+通讯作者：师鹏(1981一)，男，陕西咸阳人，讲师，shipeng@buaa．edu．CO，主要研究方向为航天器动力学与控制．引用格式：邵龙飞，师鹛，赵育善．电磁航天器编从动力学建模与运动规划方法口J．北京航空航天大学学报，2015，41(4)：737—743．ShaoLF，ShiP，ZhaoYS．Dynamics

7、modelingandmotionprogrammingforelectromagneticformationnightfJJ．JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2015，41(4)：737-743(inChinese)．738北京航空航天大学学报2015年器曰在Z位置处产生的磁场强度¨1为蹦"筹(哥卜命)㈩式中，p。为B的磁偶极子强度；／z。=41rX10。7N／A2为真空磁导率．电磁航天器A在B磁场中受到的电磁力∞o为％=一等(一瞥z一锚。一静。+5虹黹韭z)(2)。⋯7。／’7

8、式中，p。为A的磁偶极子强度．由电磁力解算线圈磁矩是