[發明專利]一種燃料消耗低與過程穩定的電磁航天器構型重構方法

有效

• 申請號: 201910077464.5
• 申請日: 2019-01-28
• 公開（公告）號: CN109828594B
• 公開（公告）日: 2021-07-27
• 發明（設計）人: 張元文;楊樂平;朱彥偉;戚大偉;黃渙;甄明
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08
• 代理公司: 長沙國科天河知識產權代理有限公司 43225
• 代理人: 邱軼

1.一種燃料消耗低與過程穩定的電磁航天器構型重構方法，應用于雙電磁航天器組成的電磁航天器編隊系統，其特征在于，

(S1)分別計算電磁航天器編隊系統的初始相對平衡態構型和目標相對平衡態構型，包括步驟：

(S11)以電磁航天器編隊系統的質心CM為原點o_CM，建立動力學建模參考坐標系o_CMxyz，o_CMx軸沿CM地心距方向，o_CMy軸沿軌道速度方向，o_CMz軸與o_CMx軸、o_CMy軸構成右手直角坐標系，基于坐標系o_CMxyz，建立各個航天器相對CM的平動運動動力學方程；

(S12)根據各個航天器的平動運動動力學方程，求解電磁航天器編隊系統的徑向、法向以及切向的相對平衡態條件；

(S13)根據徑向、法向以及切向的相對平衡態條件，得到系統相對平衡態X^*，再依據系統相對平衡態X^*對相對CM的平動運動動力學模型進行線性化，得到電磁航天器編隊位于系統相對平衡態X^*的線性化模型；

(S14)將X^*處設計的流形初始狀態代入系統相對平衡態X^*的線性化模型并積分得到全局流形，所述全局流形包括穩定流形和不穩定流形；

(S2)設計時間區間，所述時間區間為期望的初始相對平衡態不穩定流形與目標相對平衡態穩定流形連接時段；

(S3)分別選取初始相對平衡態構型全局流形中的不穩定流形、目標相對平衡態構型全局流形中的穩定流形上一定數量的離散狀態點，并建立關于狀態點之間偏差的標量優化目標函數，設計脈沖速度增量以及電磁磁矩使標量優化目標函數趨于0，實現兩個航天器從初始相距L1到期望相距L2的重構，L1、L2表示距離值。

2.如權利要求1所述的一種燃料消耗低與過程穩定的電磁航天器構型重構方法，其特征在于，所述步驟(S13)中兩電磁航天器編隊位于X^*的線性化模型為：

其中，δX(τ)＝X(τ)-X^*(τ)，X(τ)表示τ時刻的系統狀態，X^*(τ)表示τ時刻的系統相對平衡態；I_3×3表示3×3的單位矩陣，B矩陣根據徑向、法向以及切向相對平衡態模式的不同具有不同形式，具體如下：

徑向相對平衡態，

法向相對平衡態，

切向相對平衡態

式中，滿足及P＝μ_1zμ_2z-μ_1yμ_2y；

其中L為兩電磁航天器間距，M₁＝m₂/(m₁+m₂)，m₁,m₂分別為航天器1、航天器2的質量，n_CM為質心CM軌道運動角速度，μ₀為真空磁導率，(μ_1x,μ_1y,μ_1z)、(μ_2x,μ_2y,μ_2z)分別為兩個航天器電磁磁矩μ₁、μ₂在o_CMxyz坐標系的投影分量。

3.如權利要求2所述的一種燃料消耗低與過程穩定的電磁航天器構型重構方法，其特征在于，所述步驟(S14)中具體過程為：

記矩陣A的穩定特征向量為V^s、不穩定特征向量為V^u，穩定流形為W^s，不穩定流形為W^u，則

穩定流形初始狀態為不穩定流形初始狀態為其中ε表示控制參量，將初始狀態代入線性化模型，并向t∈[0 ∞)及t∈(-∞ 0]積分，得到穩定流形；將初始狀態代入線性化模型，并向t∈[0 ∞)及t∈(-∞0]積分，得到不穩定流形。

4.如權利要求2所述的一種燃料消耗低與過程穩定的電磁航天器構型重構方法，其特征在于，所述步驟(S3)具過程為：

在初始相對平衡態不穩定流形上選取時刻點τ^u，0≤τ^u≤0.5τ_m，τ_m為設定的構型重構時間，在目標相對平衡態穩定流形上選取時刻點τ^s，0≤τ^s≤0.5τ_m；

將時間區間[0,0.5τ_m]等分為N份，分別計算各時刻點穩定流形、不穩定流形對應的離散狀態W^s(τ^s)∈W^s、W^u(τ^u)∈W^u，進一步計算對應狀態的偏差Γ(τ^u,τ^s)＝||r(τ^s)-r(τ^u)||₁+1000n_CM||v(τ^s)-v(τ^u)||₁，記表示狀態之間偏差最小值對應的時刻，其中r(τ^s)表示穩定流形τ^s時刻的位置，r(τ^u)表示不穩定流形τ^u時刻的位置，v(τ^s)表示穩定流形τ^s時刻的速度，v(τ^u)表示不穩定流形τ^u時刻的速度，|| ||₁表示1范數；

采取控制方案為：在2N+1個時間節點施加脈沖速度增量，2N個階段施加恒定的電磁磁矩控制；約束條件為：

其中Δv_ρ表示第ρ個脈沖速度增量，ρ＝1,2,…,2N+1，μ^k表示第k個電磁磁矩，k＝1,2,…,2N；U表示控制量，Δv_max、μ_max分別為對應裝置的能力閾值；

設計綜合目標函數J為：

采用粒子群進化算法對綜合目標函數進行優化計算，得到滿足任務需求Γ＝0與脈沖速度增量施加總和最小的控制量U。