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航天器電磁編隊飛行是一種無推進劑消耗的編隊飛行方式，它的工作原理是為每個航天器安裝電磁線圈，通過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運動。航天器電磁編隊的控制過程無須消耗推進劑，且具有無羽流污染、控制力連續(xù)的優(yōu)點，但電磁場的強非線性和位姿耦合也給編隊動力學建模和控制帶來挑戰(zhàn)。本書結合作者團隊近年來的研究進展，系統(tǒng)介紹了在姿軌耦合和強非線性情況下的航天器編隊動力學建模與磁矩優(yōu)化分配，航天器電磁編隊的姿軌耦合控制，航天器電磁編隊的欠驅(qū)動控制，基于端口哈密頓動力學的航天器電磁編隊動力學建模與控制等方面的最新研究成果，以及地面實驗系統(tǒng)的設計方案。本書可供從事航天工程、深空探測、控制理論與控制工程相關研究領域的技術人員和高等院校相關專業(yè)師生參考使用。

航天器編隊飛行具有顯著的技術特色和廣闊的應用前景，概念一經(jīng)提出就得到國際航天領域的廣泛關注，各航天大國制定了一系列研究和工程計劃，在21世紀的前兩個十年，針對航天器編隊動力學、導航與控制等問題開展了大量研究，取得了豐碩成果。但是高精度的航天器編隊始終面臨著頻繁控制導致燃料消耗、影響任務壽命的難題，制約了工程實施。為應對此困境，針對一些高精度編隊應用，專家學者提出了采用航天器間的電磁力實現(xiàn)構型重構與保持，減少燃料消耗的技術方案，成為航天器編隊技術研究的新熱點。但是航天器電磁編隊的復雜非線性也給動力學建模與控制技術帶來諸多挑戰(zhàn)。本書立足航天技術前沿，瞄準國家重大需求，以航天器電磁編隊的動力學與控制為主要內(nèi)容，結合研究團隊近年來的科學研究成果編撰而成。本書力求遵循由淺入深、由易到難、由簡到繁、循序漸進的方式，較為系統(tǒng)地介紹了電磁力航天器編隊的非線性動力學建模與控制等技術，其內(nèi)容包括航天器編隊飛行的概念及發(fā)展現(xiàn)狀、航天器電磁編隊的動力學建模、航天器電磁編隊的六自由度控制和欠驅(qū)動控制、深空探測航天器編隊的自主導航以及地面實驗系統(tǒng)的設計等八部分。第1章緒論，介紹航天器編隊飛行與電磁力航天器編隊的概念，以及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀；第2章航天器編隊動力學基礎，介紹坐標系定義、航天器編隊動力學、相對姿態(tài)動力學等基礎知識；第3章航天器電磁編隊動力學建模與磁矩分配，介紹電磁力、磁偶極子的建模與計算，基于遠場模型的電磁力包絡分析，針對航天器電磁編隊的坐標系定義、相對動力學建模，以及磁矩優(yōu)化分配方法；第4章航天器電磁編隊的六自由度控制，介紹針對電磁力航天器編隊姿軌耦合問題的相關研究，包括基于對偶四元數(shù)的電磁編隊交會對接控制、姿軌一體化控制以及基于自抗擾方法的高精度編隊控制；第5章航天器電磁編隊的欠驅(qū)動控制，主要介紹在欠驅(qū)動情況下編隊重構與懸�？刂品椒�；第6章基于端口哈密頓動力學的航天器編隊動力學建模，主要介紹一種新的動力學建模方法，并給出了近地和日地L2點航天器編隊端口哈密頓動力學模型；第7章深空探測航天器編隊自主相對導航，介紹基于相對測量的深空探測航天器編隊自主導航技術；第8章地面實驗系統(tǒng)與仿真軟件設計，介紹航天器電磁編隊飛行地面實驗系統(tǒng)的軟硬件設計、多維超導電磁場建模與數(shù)字仿真軟件的開發(fā)。本書是筆者及科研團隊在航天器編隊飛行領域多年科研實踐工作基礎上的總結，由周慶瑞、刁靖東、宋瑩瑩、孟斌為主撰寫，并負責全文的統(tǒng)稿與審校。其中，第1章由周慶瑞、刁靖東、孟斌撰寫；第2章由宋瑩瑩、刁靖東、孟斌撰寫；第3、4章由宋瑩瑩、周慶瑞撰寫；第5章由邵將、周慶瑞、孟斌撰寫；第6章由王家明、鄭威、周慶瑞撰寫；第7章由葉子鵬、周慶瑞、王輝撰寫；第8章由刁靖東統(tǒng)稿，8.1節(jié)由刁靖東、葉東撰寫，8.2.2節(jié)、8.2.3節(jié)由方衛(wèi)中、刁靖東撰寫，8.2.1節(jié)、8.2.4節(jié)由朱彤華、刁靖東撰寫。同時，筆者所在團隊的孫昌浩、王曉初、楊英、馮宇婷等在材料收集、學術討論、圖表繪制和公式編寫上完成了大量工作。本書撰寫工作得到了中國空間技術研究院錢學森空間技術實驗室領導和同事的鼎力支持和無私幫助，研究過程中得到了中國航天科技集團公司包為民院士、吳宏鑫院士，西安電子科技大學鄭曉靜院士的指導和幫助，另外本書還得到了哈爾濱工業(yè)大學葉東教授、杭州易泰達公司方衛(wèi)中博士的大力支持，并參與完成了部分章節(jié)的撰寫，在此一并表示衷心的感謝! 本書的出版得到科技部重點研發(fā)項目(2018YFA0703802)、航天科技集團自主研發(fā)等項目的資助，在此深表謝意! 航天器電磁編隊飛行是一個新興的技術領域，在對地觀測、空間探測，尤其是深空探測領域具有廣闊的應用前景，隨著各種深空探測任務的推進和工程實施，將會促使該領域出現(xiàn)更多創(chuàng)新性的理論、方法和技術。本書面向深空探測等國家戰(zhàn)略需求，重點介紹了筆者團隊在該領域的最新研究進展，希望能給讀者提供動力學建模與編隊控制的技術參考。受限于筆者能力，本書的觀點難免有不妥之處，懇請讀者批評指正，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 航天器編隊飛行的概念與內(nèi)涵2 1.2 航天器編隊飛行計劃4 1.2.1 對地觀測與空間探測領域4 1.2.2 深空探測領域8 1.3 航天器電磁編隊飛行11 1.4 航天器編隊飛行技術研究現(xiàn)狀12 1.4.1 航天器編隊飛行動力學建模方法12 1.4.2 航天器編隊控制技術17 1.4.3 航天器電磁編隊的動力學與控制技術18 1.4.4 深空探測編隊自主導航技術21 第2章航天器編隊動力學基礎 23 2.1 坐標系定義24 2.2 近地軌道航天器編隊動力學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點航天器編隊動力學29 2.3.1 編隊坐標系的建立30 2.3.2 動力學方程建模31 2.4 航天器編隊相對姿態(tài)動力學32 2.4.1 姿態(tài)的描述32 2.4.2 姿態(tài)動力學和運動學模型34 2.5 航天器姿軌一體化動力學36 2.5.1 對偶四元數(shù)36 2.5.2 對偶質(zhì)量與對偶動量38 2.5.3 單航天器動力學建模39 2.5.4 誤差動力學方程40 本章小結40 第3章航天器電磁編隊動力學建模與磁矩分配 41 3.1 電磁模型及分析42 3.1.1 磁場和磁矢勢42 3.1.2 電磁力和電磁力矩43 3.1.3 遠場電磁模型44 3.1.4 遠場電磁模型誤差分析45 3.2 遠場電磁模型包絡分析47 3.2.1 可控磁偶極子48 3.2.2 電磁力包絡49 3.2.3 電磁力矩包絡53 3.3 航天器電磁編隊動力學建模57 3.3.1 航天器電磁編隊的坐標系定義57 3.3.2 航天器電磁編隊相對動力學58 3.3.3 外界干擾建模58 3.4 航天器電磁編隊的磁矩優(yōu)化分配方法60 3.4.1 坐標系轉(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70 第4章航天器電磁編隊的六自由度控制 72 4.1 基于對偶四元數(shù)的電磁編隊交會對接控制73 4.1.1 相對運動學方程73 4.1.2 控制器設計74 4.1.3 仿真分析75 4.2 航天器電磁編隊姿軌一體化控制77 4.2.1 電磁編隊動力學與動力學模型77 4.2.2 期望編隊構型79 4.2.3 誤差動力學80 4.2.4 電磁模型及磁矩求解81 4.2.5 控制器設計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控制97 4.3.1 平動控制98 4.3.2 姿態(tài)控制99 4.3.3 角動量管理101 4.3.4 仿真分析102 本章小結110 第5章航天器電磁編隊的欠驅(qū)動控制 111 5.1 電磁編隊欠驅(qū)動控制可行性分析112 5.2 欠驅(qū)動線性二次型調(diào)節(jié)器114 5.2.1 LQR控制權重間接估計法114 5.2.2 數(shù)值仿真與分析116 5.3 欠驅(qū)動編隊重構控制方法121 5.3.1 徑向欠驅(qū)動滑�？刂�121 5.3.2 跡向欠驅(qū)動滑模控制125 5.3.3 數(shù)值仿真與分析128 5.4 欠驅(qū)動編隊懸�？刂品椒�134 5.4.1 懸停位置可行解134 5.4.2 基于擾動觀測器的懸�？刂�135 5.4.3 欠驅(qū)動同步控制方法138 5.4.4 數(shù)值仿真與分析140 本章小結143 第6章基于端口哈密頓動力學的航天器編隊動力學建模 145 6.1 端口哈密頓力學基礎146 6.1.1 端口哈密頓系統(tǒng)簡介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端口哈密頓動力學建模150 6.2.1 坐標系定義150 6.2.2 編隊運動相對動力學建模151 6.3 日地L2點航天器編隊端口哈密頓動力學建模153 6.3.1 圓形限制性三體問題153 6.3.2 編隊系統(tǒng)相對運動動力學建模155 6.4 基于無源控制的航天器編隊隊形重構157 6.4.1 基于互聯(lián)和阻尼分配無源性的控制方法157 6.4.2 控制系統(tǒng)設計157 6.4.3 近地軌道航天器編隊控制158 6.4.4 日地L2點航天器編隊控制159 本章小結161 第7章深空探測航天器編隊自主相對導航 162 7.1 航天器編隊自主相對導航概述163 7.2 基于相對測量的航天器編隊自主導航164 7.2.1 相對測量技術在編隊自主導航中的應用164 7.2.2 基于相對測量的深空探測航天器編隊自主相對導航166 7.3 航天器編隊相對導航仿真分析172 7.3.1 深空探測仿真場景想定172 7.3.2 仿真實驗結果173 7.3.3 實驗結果分析176 本章小結178 第8章地面實驗系統(tǒng)與仿真軟件設計 180 8.1 地面實驗系統(tǒng)軟硬件設計181 8.1.1 衛(wèi)星模擬器分系統(tǒng)183 8.1.2 超導電磁線圈分系統(tǒng)190 8.1.3 氣浮平臺分系統(tǒng)196 8.1.4 室內(nèi)定位分系統(tǒng)197 8.2 多維超導電磁場建模與仿真軟件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221 參考文獻 222

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