● 摘要
电磁卫星编队是指利用卫星上安装的电磁线圈之间产生的电磁力，控制卫星编队的相对运动，维持卫星编队的一种方式。电磁线圈能提供任意方向的控制力，结合卫星上安装的姿态控制系统，理论上能够在一定距离内对卫星之间相对位置和卫星的姿态进行控制，使得卫星编队的寿命不受携带燃料重量的限制。电磁卫星编队利用卫星上安装的电磁线圈相互作用来维持编队形状，由于电磁线圈受到的地磁干扰力矩较大，动量轮已经不能满足控制力矩的需求，需要使用变速控制力矩陀螺来克服地磁干扰力矩。利用Lyapunov原理设计了控制律维持编队构型和卫星姿态稳定。对于电磁力矩造成的卫星角动量累积问题，采用两种措施，一种是编队卫星磁矩周期性同时反向的方法来克服地磁力矩造成的动量矩累积，另外，对于由相互作用产生的电磁力矩带来的角动量累积利用地磁进行卸载。电磁卫星编队构型初始化对控制律的要求主要是计算量小和避免碰撞，设计了人工势函数，以相对位置和相对速度矢量作为变量，人工势函数在达到控制目标时为最小值，在碰撞的位置具有局部最大值。设计的控制律能够实时调整控制参数，能够保证电磁线圈控制电流不至于饱和，以及人工势函数导数在控制过程中小于零。仿真表明所设计的控制律能生成编队构型并避免碰撞，而且具有一定的抗干扰性。考虑了分体式卫星集群在任意初始相对运动状态下保持聚拢且不碰撞的控制问题，提出了模拟鱼群运动的控制律。每颗卫星的运动遵循三条规则，避免碰撞、速度一致以及向中心聚集，为满足这三条规则对卫星施加不同方向的控制力，最终的控制力是不同方向控制力的合成，用电磁力来实现控制，仿真表明模拟鱼群运动控制律能完成控制目标。为了提高电磁编队的控制精度，需要考虑输入时滞和不确定扰动，采用线性相对运动模型，用前馈加反馈的方式控制编队运动跟踪预定轨迹，前馈控制量由预定轨迹结合CW方程给出，反馈控制的部分采用状态线性变换后的滑模变结构控制律。证明了滑模切换面可达以及滑模面上的运动与不确定扰动无关。仿真表明考虑时滞的控制相比未考虑时滞的控制，位置跟踪精度有所提高。针对单颗卫星对空间非合作目标测距不能估计全部相对运动状态的问题，提出利用编队中多颗卫星同时测距相对导航。建立了相对运动状态估计的系统模型，推导了系统可观测矩阵，通过计算系统可观测度和采用UKF对目标相对运动状态进行估计，研究了观测矢量方向和数量与相对导航精度的关系。结果表明双星测距能估计全部相对运动状态，观测矢量夹角越大，相对导航精度越高，在编队尺寸远小于目标距离的前提下，多于两颗的卫星测距并不能明显提高相对导航精度。在对空间非合作目标天基测角卡尔曼滤波定轨中，目标机动会导致常规卡尔曼滤波器发散。提出一种无迹卡尔曼滤波(UKF)结合带次优渐消因子的无迹卡尔曼滤波(SFUKF)的滤波定轨方法，目标无机动时使用UKF，在目标机动时使用SFUKF，给出了目标机动的判断准则。仿真结果表明，此滤波方法在目标无机动时有较高的状态估计精度，在目标机动时滤波器不至于发散，目标机动的判别准则有效。