航天动力学与控制系列丛书--航天器电磁编队动力学与控制

航天器电磁编队飞行是一种无推进剂消耗的编队飞行方式，它的工作原理是为每个航天器安装电磁线圈，通过不同航天器上电磁线圈之间相互作用产生的电磁力和电磁力矩控制航天器的相对运动。航天器电磁编队的控制过程无须消耗推进剂，且具有无羽流污染、控制力连续的优点，但电磁场的强非线性和位姿耦合也给编队动力学建模和控制带来挑战。
本书结合作者团队近年来的研究进展，系统介绍了在姿轨耦合和强非线性情况下的航天器编队动力学建模与磁矩优化分配，航天器电磁编队的姿轨耦合控制，航天器电磁编队的欠驱动控制，基于端口哈密顿动力学的航天器电磁编队动力学建模与控制等方面的最新研究成果，以及地面实验系统的设计方案。
本书可供从事航天工程、深空探测、控制理论与控制工程相关研究领域的技术人员和高等院校相关专业师生参考使用。

（1）本书立足航天技术前沿，瞄准国家重大需求，以电磁力航天器编队的动力学与控制为主要内容，结合研究团队近年来的科学研究成果编撰而成。 （2）书中遵循由浅入深、由易到难、由简到繁、循序渐进的方式，较为系统地介绍了电磁力航天器编队的非线性动力学建模与控制等技术。 （3）包含了大量的一线工作案例，图文并茂、系统性强，帮助读者更好的理解高精度航天器编队的相关技术，对未来航天器设计的研究发展具有很好的参考价值和指导意义。 （4）本书适用于航空航天、深空探测、控制理论与控制工程相关研究领域的工程技术人员和高等院校专业师生。

航天器编队飞行具有显著的技术特色和广阔的应用前景，概念一经提出就得到国际航天领域的广泛关注，各航天大国制定了一系列研究和工程计划，在21世纪的前两个十年，针对航天器编队动力学、导航与控制等问题开展了大量研究，取得了丰硕成果。但是高精度的航天器编队始终面临着频繁控制导致燃料消耗、影响任务寿命的难题，制约了工程实施。为应对此困境，针对一些高精度编队应用，专家学者提出了采用航天器间的电磁力实现构型重构与保持，减少燃料消耗的技术方案，成为航天器编队技术研究的新热点。但是航天器电磁编队的复杂非线性也给动力学建模与控制技术带来诸多挑战。本书立足航天技术前沿，瞄准国家重大需求，以航天器电磁编队的动力学与控制为主要内容，结合研究团队近年来的科学研究成果编撰而成。
本 书力求遵循由浅入深、由易到难、由简到繁、循序渐进的方式，较为系统地介绍了电磁力航天器编队的非线性动力学建模与控制等技术，其内容包括航天器编队飞行的概念及发展现状、航天器电磁编队的动力学建模、航天器电磁编队的六自由度控制和欠驱动控制、深空探测航天器编队的自主导航以及地面实验系统的设计等八部分。第1章绪论，介绍航天器编队飞行与电磁力航天器编队的概念，以及国内外发展现状；第2章航天器编队动力学基础，介绍坐标系定义、航天器编队动力学、相对姿态动力学等基础知识；第3章航天器电磁编队动力学建模与磁矩分配，介绍电磁力、磁偶极子的建模与计算，基于远场模型的电磁力包络分析，针对航天器电磁编队的坐标系定义、相对动力学建模，以及磁矩优化分配方法；第4章航天器电磁编队的六自由度控制，介绍针对电磁力航天器编队姿轨耦合问题的相关研究，包括基于对偶四元数的电磁编队交会对接控制、姿轨一体化控制以及基于自抗扰方法的高精度编队控制；第5章航天器电磁编队的欠驱动控制，主要介绍在欠驱动情况下编队重构与悬停控制方法；第6章基于端口哈密顿动力学的航天器编队动力学建模，主要介绍一种新的动力学建模方法，并给出了近地和日地L2点航天器编队端口哈密顿动力学模型；第7章深空探测航天器编队自主相对导航，介绍基于相对测量的深空探测航天器编队自主导航技术；第8章地面实验系统与仿真软件设计，介绍航天器电磁编队飞行地面实验系统的软硬件设计、多维超导电磁场建模与数字仿真软件的开发。
本书是笔者及科研团队在航天器编队飞行领域多年科研实践工作基础上的总结，由周庆瑞、刁靖东、宋莹莹、孟斌为主撰写，并负责全文的统稿与审校。其中，第1章由周庆瑞、刁靖东、孟斌撰写；第2章由宋莹莹、刁靖东、孟斌撰写；第3、4章由宋莹莹、周庆瑞撰写；第5章由邵将、周庆瑞、孟斌撰写；第6章由王家明、郑威、周庆瑞撰写；第7章由叶子鹏、周庆瑞、王辉撰写；第8章由刁靖东统稿，8.1节由刁靖东、叶东撰写，8.2.2节、8.2.3节由方卫中、刁靖东撰写，8.2.1节、8.2.4节由朱彤华、刁靖东撰写。同时，笔者所在团队的孙昌浩、王晓初、杨英、冯宇婷等在材料收集、学术讨论、图表绘制和公式编写上完成了大量工作。
本书撰写工作得到了中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室领导和同事的鼎力支持和无私帮助，研究过程中得到了中国航天科技集团公司包为民院士、吴宏鑫院士，西安电子科技大学郑晓静院士的指导和帮助，另外本书还得到了哈尔滨工业大学叶东教授、杭州易泰达公司方卫中博士的大力支持，并参与完成了部分章节的撰写，在此一并表示衷心的感谢! 本书的出版得到科技部重点研发项目(2018YFA0703802)、航天科技集团自主研发等项目的资助，在此深表谢意!
航天器电磁编队飞行是一个新兴的技术领域，在对地观测、空间探测，尤其是深空探测领域具有广阔的应用前景，随着各种深空探测任务的推进和工程实施，将会促使该领域出现更多创新性的理论、方法和技术。本书面向深空探测等国家战略需求，重点介绍了笔者团队在该领域的最新研究进展，希望能给读者提供动力学建模与编队控制的技术参考。
受限于笔者能力，本书的观点难免有不妥之处，恳请读者批评指正，使之完善提高。

著者
2023年11月于北京航天城

第1章 绪论 1
1.1 航天器编队飞行的概念与内涵2
1.2 航天器编队飞行计划4
1.2.1 对地观测与空间探测领域4
1.2.2 深空探测领域8
1.3 航天器电磁编队飞行11
1.4 航天器编队飞行技术研究现状12
1.4.1 航天器编队飞行动力学建模方法12
1.4.2 航天器编队控制技术17
1.4.3 航天器电磁编队的动力学与控制技术18
1.4.4 深空探测编队自主导航技术21

第2章 航天器编队动力学基础 23
2.1 坐标系定义24
2.2 近地轨道航天器编队动力学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点航天器编队动力学29
2.3.1 编队坐标系的建立30
2.3.2 动力学方程建模31
2.4 航天器编队相对姿态动力学32
2.4.1 姿态的描述32
2.4.2 姿态动力学和运动学模型34
2.5 航天器姿轨一体化动力学36
2.5.1 对偶四元数36
2.5.2 对偶质量与对偶动量38
2.5.3 单航天器动力学建模39
2.5.4 误差动力学方程40
本章小结40

第3章 航天器电磁编队动力学建模与磁矩分配 41
3.1 电磁模型及分析42
3.1.1 磁场和磁矢势42
3.1.2 电磁力和电磁力矩43
3.1.3 远场电磁模型44
3.1.4 远场电磁模型误差分析45
3.2 远场电磁模型包络分析47
3.2.1 可控磁偶极子48
3.2.2 电磁力包络49
3.2.3 电磁力矩包络53
3.3 航天器电磁编队动力学建模57
3.3.1 航天器电磁编队的坐标系定义57
3.3.2 航天器电磁编队相对动力学58
3.3.3 外界干扰建模58
3.4 航天器电磁编队的磁矩优化分配方法60
3.4.1 坐标系转换与快速求解61
3.4.2 双星磁矩分配与优化63
本章小结70

第4章 航天器电磁编队的六自由度控制 72
4.1 基于对偶四元数的电磁编队交会对接控制73
4.1.1 相对运动学方程73
4.1.2 控制器设计74
4.1.3 仿真分析75
4.2 航天器电磁编队姿轨一体化控制77
4.2.1 电磁编队动力学与动力学模型77
4.2.2 期望编队构型79
4.2.3 误差动力学80
4.2.4 电磁模型及磁矩求解81
4.2.5 控制器设计86
4.2.6 仿真分析90
4.3 基于自抗扰方法的航天器电磁编队控制97
4.3.1 平动控制98
4.3.2 姿态控制99
4.3.3 角动量管理101
4.3.4 仿真分析102
本章小结110

第5章 航天器电磁编队的欠驱动控制 111
5.1 电磁编队欠驱动控制可行性分析112
5.2 欠驱动线性二次型调节器114
5.2.1 LQR控制权重间接估计法114
5.2.2 数值仿真与分析116
5.3 欠驱动编队重构控制方法121
5.3.1 径向欠驱动滑模控制121
5.3.2 迹向欠驱动滑模控制125
5.3.3 数值仿真与分析128
5.4 欠驱动编队悬停控制方法134
5.4.1 悬停位置可行解134
5.4.2 基于扰动观测器的悬停控制135
5.4.3 欠驱动同步控制方法138
5.4.4 数值仿真与分析140
本章小结143

第6章 基于端口哈密顿动力学的航天器编队动力学建模 145
6.1 端口哈密顿力学基础146
6.1.1 端口哈密顿系统简介146
6.1.2 端口哈密顿系统定义148
6.1.3 端口哈密顿系统特性149
6.2 近地轨道航天器编队端口哈密顿动力学建模150
6.2.1 坐标系定义150
6.2.2 编队运动相对动力学建模151
6.3 日地L2点航天器编队端口哈密顿动力学建模153
6.3.1 圆形限制性三体问题153
6.3.2 编队系统相对运动动力学建模155
6.4 基于无源控制的航天器编队队形重构157
6.4.1 基于互联和阻尼分配无源性的控制方法157
6.4.2 控制系统设计157
6.4.3 近地轨道航天器编队控制158
6.4.4 日地L2点航天器编队控制159
本章小结161

第7章 深空探测航天器编队自主相对导航 162
7.1 航天器编队自主相对导航概述163
7.2 基于相对测量的航天器编队自主导航164
7.2.1 相对测量技术在编队自主导航中的应用164
7.2.2 基于相对测量的深空探测航天器编队自主相对导航166
7.3 航天器编队相对导航仿真分析172
7.3.1 深空探测仿真场景想定172
7.3.2 仿真实验结果173
7.3.3 实验结果分析176
本章小结178

第8章 地面实验系统与仿真软件设计 180
8.1 地面实验系统软硬件设计181
8.1.1 卫星模拟器分系统183
8.1.2 超导电磁线圈分系统190
8.1.3 气浮平台分系统196
8.1.4 室内定位分系统197
8.2 多维超导电磁场建模与仿真软件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 可视化界面220
本章小结221

参考文献 222