● 摘要
航天器编队飞行在功能性和经济性等方面具有明显优势，近年来逐渐受到重视。若长期主动控制的编队飞行依然采用传统化学推进方式，无疑会影响编队飞行任务寿命、提高卫星发射和运行成本并可能造成喷射羽流污染，而基于星间电磁作用的电磁航天器编队飞行可以避免上述问题。与利用火箭发动机反冲原理产生推力不同，电磁航天器利用成员航天器周围磁场相互作用产生的电磁力进行相对运动控制。本文对电磁航天器的动力学和控制问题进行了深入研究。
电磁航天器之间控制力的产生与传统推进方式不同，需要对其相对运动原理进行分析。本文从电磁学基本原理出发，建立了星间电磁力和电磁力矩的精确模型，为提高求解效率，将相距很远的电磁航天器视为磁偶极子，推导出便于计算的远场近似模型，通过与精确模型对比，确定了其适用范围。实际控制过程中需要确定电磁线圈内的控制电流，本文分别针对两颗和多颗电磁航天器的情况讨论了磁矩分配方案，并提出双星能量消耗均衡的解析解和非线性优化方法。通过关键技术分析和对比，论证了采用高温超导线圈进行电磁航天器编队飞行的可行性。
星间电磁作用作为编队系统内力，不会改变系统质心的运动，在产生电磁力时还伴随有电磁力矩，而且电磁力的量级较小，因而需要对电磁航天器轨道和姿态运动模型进行详细分析。本文首先基于直角坐标推导了适用于电磁航天器集群的相对轨道动力学模型，然后建立了双电磁航天器球坐标相对轨道动力学模型，以及姿态运动模型。对电磁航天器轨道和姿态运动中各种干扰的量级与电磁力和电磁力矩进行了比较。针对地磁场引起的电磁航天器姿轨耦合问题，提出了轨道优先的解耦控制策略和多种角动量管理方案。在姿轨解耦的基础上，设计了电磁航天器姿态稳定控制律，另外还提出同步控制策略和序列控制策略解决多颗电磁航天器运动耦合问题。
两颗电磁航天器是最基本的编队形式，也是电磁航天器集群编队的基础，本文对双电磁航天器的相对运动控制问题进行了研究。针对超近距离的情况，基于线性动力学模型设计了线性二次调节器控制律。针对双电磁航天器编队重构问题，以电磁伴飞系统的释放分离为背景，研究了以时间最优、相对距离加速度最小和控制加速度最小为性能指标的最优控制问题。为提高双电磁航天器编队保持的控制精度，基于球坐标描述的相对轨道动力学模型，针对外界未知干扰力和远场近似模型的参数不确定性设计了相对轨道运动自适应控制律，同时利用反作用轮和电流开关极性转换实现了姿态稳定。
利用多颗电磁航天器组成大型编队系统以完成更加复杂的空间任务是电磁航天器编队飞行技术的发展趋势。针对电磁航天器集群的相对运动控制问题，本文提出利用序列控制策略将多星耦合运动转化为多阶段的双电磁航天器控制问题，从而降低问题复杂度。对于序列控制所面临的误差积累问题，本文基于同步控制策略研究了电磁航天器集群编队重构的最优轨迹规划问题。考虑到最优控制方法实时性差的情况，本文从多智能体控制的角度出发，设计了基于状态变量的变权值一致性控制算法，并采用人工势场法确定变权系数提出了电磁航天器集群编队重构碰撞规避协同控制律。
对于电磁航天器编队飞行的在轨应用问题，本文讨论了几种可能的应用方式。研究了地月系统平动点附近电磁航天器编队飞行的动力学与控制问题，将应用场景由地球轨道扩展到深空领域。对于地球轨道上电磁航天器编队的应用问题，以电磁航天器集群的释放分离和双电磁航天器圆形轨迹跟踪为背景进行了有益的探索。
本文的研究为电磁航天器编队飞行的应用奠定了理论基础，对其他类型非接触力航天器的研究有所裨益，为新概念飞行器的设计和超近距离空间操控提供了技术参考。