航天動(dòng)力學(xué)與控制系列叢書(shū)--航天器電磁編隊(duì)動(dòng)力學(xué)與控制

航天器電磁編隊(duì)飛行是一種無(wú)推進(jìn)劑消耗的編隊(duì)飛行方式，它的工作原理是為每個(gè)航天器安裝電磁線圈，通過(guò)不同航天器上電磁線圈之間相互作用產(chǎn)生的電磁力和電磁力矩控制航天器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。航天器電磁編隊(duì)的控制過(guò)程無(wú)須消耗推進(jìn)劑，且具有無(wú)羽流污染、控制力連續(xù)的優(yōu)點(diǎn)，但電磁場(chǎng)的強(qiáng)非線性和位姿耦合也給編隊(duì)動(dòng)力學(xué)建模和控制帶來(lái)挑戰(zhàn)。
本書(shū)結(jié)合作者團(tuán)隊(duì)近年來(lái)的研究進(jìn)展，系統(tǒng)介紹了在姿軌耦合和強(qiáng)非線性情況下的航天器編隊(duì)動(dòng)力學(xué)建模與磁矩優(yōu)化分配，航天器電磁編隊(duì)的姿軌耦合控制，航天器電磁編隊(duì)的欠驅(qū)動(dòng)控制，基于端口哈密頓動(dòng)力學(xué)的航天器電磁編隊(duì)動(dòng)力學(xué)建模與控制等方面的最新研究成果，以及地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。
本書(shū)可供從事航天工程、深空探測(cè)、控制理論與控制工程相關(guān)研究領(lǐng)域的技術(shù)人員和高等院校相關(guān)專(zhuān)業(yè)師生參考使用。

（1）本書(shū)立足航天技術(shù)前沿，瞄準(zhǔn)國(guó)家重大需求，以電磁力航天器編隊(duì)的動(dòng)力學(xué)與控制為主要內(nèi)容，結(jié)合研究團(tuán)隊(duì)近年來(lái)的科學(xué)研究成果編撰而成。 （2）書(shū)中遵循由淺入深、由易到難、由簡(jiǎn)到繁、循序漸進(jìn)的方式，較為系統(tǒng)地介紹了電磁力航天器編隊(duì)的非線性動(dòng)力學(xué)建模與控制等技術(shù)。 （3）包含了大量的一線工作案例，圖文并茂、系統(tǒng)性強(qiáng)，幫助讀者更好的理解高精度航天器編隊(duì)的相關(guān)技術(shù)，對(duì)未來(lái)航天器設(shè)計(jì)的研究發(fā)展具有很好的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。 （4）本書(shū)適用于航空航天、深空探測(cè)、控制理論與控制工程相關(guān)研究領(lǐng)域的工程技術(shù)人員和高等院校專(zhuān)業(yè)師生。

航天器編隊(duì)飛行具有顯著的技術(shù)特色和廣闊的應(yīng)用前景，概念一經(jīng)提出就得到國(guó)際航天領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，各航天大國(guó)制定了一系列研究和工程計(jì)劃，在21世紀(jì)的前兩個(gè)十年，針對(duì)航天器編隊(duì)動(dòng)力學(xué)、導(dǎo)航與控制等問(wèn)題開(kāi)展了大量研究，取得了豐碩成果。但是高精度的航天器編隊(duì)始終面臨著頻繁控制導(dǎo)致燃料消耗、影響任務(wù)壽命的難題，制約了工程實(shí)施。為應(yīng)對(duì)此困境，針對(duì)一些高精度編隊(duì)?wèi)?yīng)用，專(zhuān)家學(xué)者提出了采用航天器間的電磁力實(shí)現(xiàn)構(gòu)型重構(gòu)與保持，減少燃料消耗的技術(shù)方案，成為航天器編隊(duì)技術(shù)研究的新熱點(diǎn)。但是航天器電磁編隊(duì)的復(fù)雜非線性也給動(dòng)力學(xué)建模與控制技術(shù)帶來(lái)諸多挑戰(zhàn)。本書(shū)立足航天技術(shù)前沿，瞄準(zhǔn)國(guó)家重大需求，以航天器電磁編隊(duì)的動(dòng)力學(xué)與控制為主要內(nèi)容，結(jié)合研究團(tuán)隊(duì)近年來(lái)的科學(xué)研究成果編撰而成。
本 書(shū)力求遵循由淺入深、由易到難、由簡(jiǎn)到繁、循序漸進(jìn)的方式，較為系統(tǒng)地介紹了電磁力航天器編隊(duì)的非線性動(dòng)力學(xué)建模與控制等技術(shù)，其內(nèi)容包括航天器編隊(duì)飛行的概念及發(fā)展現(xiàn)狀、航天器電磁編隊(duì)的動(dòng)力學(xué)建模、航天器電磁編隊(duì)的六自由度控制和欠驅(qū)動(dòng)控制、深空探測(cè)航天器編隊(duì)的自主導(dǎo)航以及地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等八部分。第1章緒論，介紹航天器編隊(duì)飛行與電磁力航天器編隊(duì)的概念，以及國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀；第2章航天器編隊(duì)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)，介紹坐標(biāo)系定義、航天器編隊(duì)動(dòng)力學(xué)、相對(duì)姿態(tài)動(dòng)力學(xué)等基礎(chǔ)知識(shí)；第3章航天器電磁編隊(duì)動(dòng)力學(xué)建模與磁矩分配，介紹電磁力、磁偶極子的建模與計(jì)算，基于遠(yuǎn)場(chǎng)模型的電磁力包絡(luò)分析，針對(duì)航天器電磁編隊(duì)的坐標(biāo)系定義、相對(duì)動(dòng)力學(xué)建模，以及磁矩優(yōu)化分配方法；第4章航天器電磁編隊(duì)的六自由度控制，介紹針對(duì)電磁力航天器編隊(duì)姿軌耦合問(wèn)題的相關(guān)研究，包括基于對(duì)偶四元數(shù)的電磁編隊(duì)交會(huì)對(duì)接控制、姿軌一體化控制以及基于自抗擾方法的高精度編隊(duì)控制；第5章航天器電磁編隊(duì)的欠驅(qū)動(dòng)控制，主要介紹在欠驅(qū)動(dòng)情況下編隊(duì)重構(gòu)與懸?？刂品椒ǎ坏?章基于端口哈密頓動(dòng)力學(xué)的航天器編隊(duì)動(dòng)力學(xué)建模，主要介紹一種新的動(dòng)力學(xué)建模方法，并給出了近地和日地L2點(diǎn)航天器編隊(duì)端口哈密頓動(dòng)力學(xué)模型；第7章深空探測(cè)航天器編隊(duì)自主相對(duì)導(dǎo)航，介紹基于相對(duì)測(cè)量的深空探測(cè)航天器編隊(duì)自主導(dǎo)航技術(shù)；第8章地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與仿真軟件設(shè)計(jì)，介紹航天器電磁編隊(duì)飛行地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)、多維超導(dǎo)電磁場(chǎng)建模與數(shù)字仿真軟件的開(kāi)發(fā)。
本書(shū)是筆者及科研團(tuán)隊(duì)在航天器編隊(duì)飛行領(lǐng)域多年科研實(shí)踐工作基礎(chǔ)上的總結(jié)，由周慶瑞、刁靖東、宋瑩瑩、孟斌為主撰寫(xiě)，并負(fù)責(zé)全文的統(tǒng)稿與審校。其中，第1章由周慶瑞、刁靖東、孟斌撰寫(xiě)；第2章由宋瑩瑩、刁靖東、孟斌撰寫(xiě)；第3、4章由宋瑩瑩、周慶瑞撰寫(xiě)；第5章由邵將、周慶瑞、孟斌撰寫(xiě)；第6章由王家明、鄭威、周慶瑞撰寫(xiě)；第7章由葉子鵬、周慶瑞、王輝撰寫(xiě)；第8章由刁靖東統(tǒng)稿，8.1節(jié)由刁靖東、葉東撰寫(xiě)，8.2.2節(jié)、8.2.3節(jié)由方衛(wèi)中、刁靖東撰寫(xiě)，8.2.1節(jié)、8.2.4節(jié)由朱彤華、刁靖東撰寫(xiě)。同時(shí)，筆者所在團(tuán)隊(duì)的孫昌浩、王曉初、楊英、馮宇婷等在材料收集、學(xué)術(shù)討論、圖表繪制和公式編寫(xiě)上完成了大量工作。
本書(shū)撰寫(xiě)工作得到了中國(guó)空間技術(shù)研究院錢(qián)學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)和同事的鼎力支持和無(wú)私幫助，研究過(guò)程中得到了中國(guó)航天科技集團(tuán)公司包為民院士、吳宏鑫院士，西安電子科技大學(xué)鄭曉靜院士的指導(dǎo)和幫助，另外本書(shū)還得到了哈爾濱工業(yè)大學(xué)葉東教授、杭州易泰達(dá)公司方衛(wèi)中博士的大力支持，并參與完成了部分章節(jié)的撰寫(xiě)，在此一并表示衷心的感謝! 本書(shū)的出版得到科技部重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(2018YFA0703802)、航天科技集團(tuán)自主研發(fā)等項(xiàng)目的資助，在此深表謝意!
航天器電磁編隊(duì)飛行是一個(gè)新興的技術(shù)領(lǐng)域，在對(duì)地觀測(cè)、空間探測(cè)，尤其是深空探測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，隨著各種深空探測(cè)任務(wù)的推進(jìn)和工程實(shí)施，將會(huì)促使該領(lǐng)域出現(xiàn)更多創(chuàng)新性的理論、方法和技術(shù)。本書(shū)面向深空探測(cè)等國(guó)家戰(zhàn)略需求，重點(diǎn)介紹了筆者團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，希望能給讀者提供動(dòng)力學(xué)建模與編隊(duì)控制的技術(shù)參考。
受限于筆者能力，本書(shū)的觀點(diǎn)難免有不妥之處，懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正，使之完善提高。

著者
2023年11月于北京航天城

第1章 緒論 1
1.1 航天器編隊(duì)飛行的概念與內(nèi)涵2
1.2 航天器編隊(duì)飛行計(jì)劃4
1.2.1 對(duì)地觀測(cè)與空間探測(cè)領(lǐng)域4
1.2.2 深空探測(cè)領(lǐng)域8
1.3 航天器電磁編隊(duì)飛行11
1.4 航天器編隊(duì)飛行技術(shù)研究現(xiàn)狀12
1.4.1 航天器編隊(duì)飛行動(dòng)力學(xué)建模方法12
1.4.2 航天器編隊(duì)控制技術(shù)17
1.4.3 航天器電磁編隊(duì)的動(dòng)力學(xué)與控制技術(shù)18
1.4.4 深空探測(cè)編隊(duì)自主導(dǎo)航技術(shù)21

第2章 航天器編隊(duì)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ) 23
2.1 坐標(biāo)系定義24
2.2 近地軌道航天器編隊(duì)動(dòng)力學(xué)24
2.2.1 C-W 方程26
2.2.2 T-H 方程26
2.2.3 Lawden方程28
2.3 日地L2點(diǎn)航天器編隊(duì)動(dòng)力學(xué)29
2.3.1 編隊(duì)坐標(biāo)系的建立30
2.3.2 動(dòng)力學(xué)方程建模31
2.4 航天器編隊(duì)相對(duì)姿態(tài)動(dòng)力學(xué)32
2.4.1 姿態(tài)的描述32
2.4.2 姿態(tài)動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型34
2.5 航天器姿軌一體化動(dòng)力學(xué)36
2.5.1 對(duì)偶四元數(shù)36
2.5.2 對(duì)偶質(zhì)量與對(duì)偶動(dòng)量38
2.5.3 單航天器動(dòng)力學(xué)建模39
2.5.4 誤差動(dòng)力學(xué)方程40
本章小結(jié)40

第3章 航天器電磁編隊(duì)動(dòng)力學(xué)建模與磁矩分配 41
3.1 電磁模型及分析42
3.1.1 磁場(chǎng)和磁矢勢(shì)42
3.1.2 電磁力和電磁力矩43
3.1.3 遠(yuǎn)場(chǎng)電磁模型44
3.1.4 遠(yuǎn)場(chǎng)電磁模型誤差分析45
3.2 遠(yuǎn)場(chǎng)電磁模型包絡(luò)分析47
3.2.1 可控磁偶極子48
3.2.2 電磁力包絡(luò)49
3.2.3 電磁力矩包絡(luò)53
3.3 航天器電磁編隊(duì)動(dòng)力學(xué)建模57
3.3.1 航天器電磁編隊(duì)的坐標(biāo)系定義57
3.3.2 航天器電磁編隊(duì)相對(duì)動(dòng)力學(xué)58
3.3.3 外界干擾建模58
3.4 航天器電磁編隊(duì)的磁矩優(yōu)化分配方法60
3.4.1 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換與快速求解61
3.4.2 雙星磁矩分配與優(yōu)化63
本章小結(jié)70

第4章 航天器電磁編隊(duì)的六自由度控制 72
4.1 基于對(duì)偶四元數(shù)的電磁編隊(duì)交會(huì)對(duì)接控制73
4.1.1 相對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程73
4.1.2 控制器設(shè)計(jì)74
4.1.3 仿真分析75
4.2 航天器電磁編隊(duì)姿軌一體化控制77
4.2.1 電磁編隊(duì)動(dòng)力學(xué)與動(dòng)力學(xué)模型77
4.2.2 期望編隊(duì)構(gòu)型79
4.2.3 誤差動(dòng)力學(xué)80
4.2.4 電磁模型及磁矩求解81
4.2.5 控制器設(shè)計(jì)86
4.2.6 仿真分析90
4.3 基于自抗擾方法的航天器電磁編隊(duì)控制97
4.3.1 平動(dòng)控制98
4.3.2 姿態(tài)控制99
4.3.3 角動(dòng)量管理101
4.3.4 仿真分析102
本章小結(jié)110

第5章 航天器電磁編隊(duì)的欠驅(qū)動(dòng)控制 111
5.1 電磁編隊(duì)欠驅(qū)動(dòng)控制可行性分析112
5.2 欠驅(qū)動(dòng)線性二次型調(diào)節(jié)器114
5.2.1 LQR控制權(quán)重間接估計(jì)法114
5.2.2 數(shù)值仿真與分析116
5.3 欠驅(qū)動(dòng)編隊(duì)重構(gòu)控制方法121
5.3.1 徑向欠驅(qū)動(dòng)滑模控制121
5.3.2 跡向欠驅(qū)動(dòng)滑?？刂?25
5.3.3 數(shù)值仿真與分析128
5.4 欠驅(qū)動(dòng)編隊(duì)?wèi)彝？刂品椒?34
5.4.1 懸停位置可行解134
5.4.2 基于擾動(dòng)觀測(cè)器的懸?？刂?35
5.4.3 欠驅(qū)動(dòng)同步控制方法138
5.4.4 數(shù)值仿真與分析140
本章小結(jié)143

第6章 基于端口哈密頓動(dòng)力學(xué)的航天器編隊(duì)動(dòng)力學(xué)建模 145
6.1 端口哈密頓力學(xué)基礎(chǔ)146
6.1.1 端口哈密頓系統(tǒng)簡(jiǎn)介146
6.1.2 端口哈密頓系統(tǒng)定義148
6.1.3 端口哈密頓系統(tǒng)特性149
6.2 近地軌道航天器編隊(duì)端口哈密頓動(dòng)力學(xué)建模150
6.2.1 坐標(biāo)系定義150
6.2.2 編隊(duì)運(yùn)動(dòng)相對(duì)動(dòng)力學(xué)建模151
6.3 日地L2點(diǎn)航天器編隊(duì)端口哈密頓動(dòng)力學(xué)建模153
6.3.1 圓形限制性三體問(wèn)題153
6.3.2 編隊(duì)系統(tǒng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)建模155
6.4 基于無(wú)源控制的航天器編隊(duì)隊(duì)形重構(gòu)157
6.4.1 基于互聯(lián)和阻尼分配無(wú)源性的控制方法157
6.4.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)157
6.4.3 近地軌道航天器編隊(duì)控制158
6.4.4 日地L2點(diǎn)航天器編隊(duì)控制159
本章小結(jié)161

第7章 深空探測(cè)航天器編隊(duì)自主相對(duì)導(dǎo)航 162
7.1 航天器編隊(duì)自主相對(duì)導(dǎo)航概述163
7.2 基于相對(duì)測(cè)量的航天器編隊(duì)自主導(dǎo)航164
7.2.1 相對(duì)測(cè)量技術(shù)在編隊(duì)自主導(dǎo)航中的應(yīng)用164
7.2.2 基于相對(duì)測(cè)量的深空探測(cè)航天器編隊(duì)自主相對(duì)導(dǎo)航166
7.3 航天器編隊(duì)相對(duì)導(dǎo)航仿真分析172
7.3.1 深空探測(cè)仿真場(chǎng)景想定172
7.3.2 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果173
7.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析176
本章小結(jié)178

第8章 地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與仿真軟件設(shè)計(jì) 180
8.1 地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)181
8.1.1 衛(wèi)星模擬器分系統(tǒng)183
8.1.2 超導(dǎo)電磁線圈分系統(tǒng)190
8.1.3 氣浮平臺(tái)分系統(tǒng)196
8.1.4 室內(nèi)定位分系統(tǒng)197
8.2 多維超導(dǎo)電磁場(chǎng)建模與仿真軟件199
8.2.1 有限元法建模201
8.2.2 解析法建模204
8.2.3 模型校核方法210
8.2.4 可視化界面220
本章小結(jié)221

參考文獻(xiàn) 222