[發明專利]一種基于電磁力的集群航天器磁矩最優分配方法

有效

• 申請號: 201810065644.7
• 申請日: 2018-01-23
• 公開（公告）號: CN108363840B
• 公開（公告）日: 2022-03-01
• 發明（設計）人: 胡敏;楊茗棋;宋俊玲;郭光衍;徐家輝;潘顯俊;趙玉龍;張學陽
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍戰略支援部隊航天工程大學
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F111/04;G06F111/06
• 代理公司: 北京中政聯科專利代理事務所(普通合伙) 11489
• 代理人: 陳超

本發明提供的一種基于電磁力的集群航天器磁矩最優分配方法，將磁矩分配問題轉化為優化問題，通過建立目標函數、計算干擾力矩、分析約束條件，采用模擬退火算法計算兩航天器中各軸線圈中的電流，實現磁矩的最優分配，更加快速；提出的磁矩最優分配方法使地磁場干擾力矩和航天器之間的干擾力矩的總干擾力矩最小；通過仿真分析不約束和假設兩航天器磁矩大小相等兩種情況的磁矩分配，得出結論：令兩航天器的磁矩大小相等更有利于實現更優的分配，且耗能均衡。

技術領域

本發明屬于磁矩分配方法研究技術領域，具體涉及一種基于電磁力的集群航天器磁矩最優分配方法。

背景技術

集群航天器是指由多顆具有特定功能的模塊衛星組成的航天器群體，可以利用衛星自組織能力取代人工操作，實現一顆整星的功能，更高效地完成航天任務。基于電磁力的航天器控制一般采用三個正交的線圈實現衛星編隊的相對控制。針對集群航天器的電磁控制與電磁交會對接、電磁編隊和電磁拖拽等的研究可以互相借鑒。基于電磁力的集群航天器的磁矩最優分配問題，是研究如何將控制電流分配到每個航天器的各線圈上，以達到期望控制效果的問題。實現磁矩最優分配，能夠有效減少航天器燃料的消耗。目前關于集群航天器的控制研究比較少，關于磁矩分配問題的研究更加缺乏。

針對磁矩分配問題，Schweighart(“Electromagnetic formation flight dipolesolution planning”)提出“自由磁偶極子”概念。自由磁偶極子解法是將電磁編隊中一個航天器的磁矩設置為隨機非零的數值，再利用牛頓法和同倫延拓法等數值解法，通過磁偶極子間的相互作用力方程組求解其他磁偶極子。

采用自由磁偶極子法進行磁矩分配，很難求解出磁矩分配的最優解，因此將磁矩分配問題轉化為優化問題是一個更為有效的方法。Ahsun等(“Control ofelectromagnetic satellite formations in near-earth orbits”)和連克非等(《電磁航天器編隊位置跟蹤自適應協同控制》)均針對多顆電磁編隊衛星的情況，將控制分配問題轉換為一個優化問題，優化了地磁場干擾力矩，但是介紹較簡略。Abbott等(“Computingminimum-power dipole solutions for interdipole forces using nonlinearconstrained optimization with application to electromagnetic formationflight”)利用序列二次規劃方法進行求解磁矩，使線圈功耗最小，但是該方法沒有考慮地磁場和航天器間的干擾力矩對航天器系統的影響。

本發明提出一種基于電磁力的集群航天器磁矩最優分配方法，將該問題轉化為一個有約束條件的優化問題。首先建立了目標函數為總干擾力矩最小；其次，計算地磁場干擾力矩和航天器之間的干擾力矩；然后，分析航天器間力和磁矩的約束；最后，采用模擬退火算法優化計算兩航天器中各軸線圈中的電流，實現磁矩最優分配。

發明內容

針對現有技術存在的缺陷，本發明提供一種基于電磁力的集群航天器磁矩最優分配方法，包括以下步驟：

步驟1：分析磁矩分配問題本質；

基于電磁力的集群航天器磁矩分配問題，實質是從期望控制量到各航天器三軸線圈中電流的非線性映射過程。在控制律給出所需電磁力的基礎上，通過合理分配各線圈中的電流，進而控制航天器各軸磁矩，最終實現磁矩的最優分配；

每個集群航天器在三個正交的軸上分別配備一個相同的電磁線圈，如圖3所示；通過控制線圈中的電流，控制航天器的磁矩，進而控制兩航天器之間的電磁力，最終實現對集群航天器系統相對運動的控制；磁矩的分配，本質上是一個電流優化分配問題，根據控制律所需的電磁力，通過選取目標函數，合理分配各航天器的控制電流，磁矩分配流程圖如圖4所示。

步驟2：建立目標函數；