[发明专利]一种基于电磁力的集群航天器磁矩最优分配方法

说明书

本发明提供的一种基于电磁力的集群航天器磁矩最优分配方法，将磁矩分配问题转化为优化问题，通过建立目标函数、计算干扰力矩、分析约束条件，采用模拟退火算法计算两航天器中各轴线圈中的电流，实现磁矩的最优分配，更加快速；提出的磁矩最优分配方法使地磁场干扰力矩和航天器之间的干扰力矩的总干扰力矩最小；通过仿真分析不约束和假设两航天器磁矩大小相等两种情况的磁矩分配，得出结论：令两航天器的磁矩大小相等更有利于实现更优的分配，且耗能均衡。

技术领域

本发明属于磁矩分配方法研究技术领域，具体涉及一种基于电磁力的集群航天器磁矩最优分配方法。

背景技术

集群航天器是指由多颗具有特定功能的模块卫星组成的航天器群体，可以利用卫星自组织能力取代人工操作，实现一颗整星的功能，更高效地完成航天任务。基于电磁力的航天器控制一般采用三个正交的线圈实现卫星编队的相对控制。针对集群航天器的电磁控制与电磁交会对接、电磁编队和电磁拖拽等的研究可以互相借鉴。基于电磁力的集群航天器的磁矩最优分配问题，是研究如何将控制电流分配到每个航天器的各线圈上，以达到期望控制效果的问题。实现磁矩最优分配，能够有效减少航天器燃料的消耗。目前关于集群航天器的控制研究比较少，关于磁矩分配问题的研究更加缺乏。

针对磁矩分配问题，Schweighart(“Electromagnetic formation flight dipolesolution planning”)提出“自由磁偶极子”概念。自由磁偶极子解法是将电磁编队中一个航天器的磁矩设置为随机非零的数值，再利用牛顿法和同伦延拓法等数值解法，通过磁偶极子间的相互作用力方程组求解其他磁偶极子。

采用自由磁偶极子法进行磁矩分配，很难求解出磁矩分配的最优解，因此将磁矩分配问题转化为优化问题是一个更为有效的方法。Ahsun等(“Control ofelectromagnetic satellite formations in near-earth orbits”)和连克非等(《电磁航天器编队位置跟踪自适应协同控制》)均针对多颗电磁编队卫星的情况，将控制分配问题转换为一个优化问题，优化了地磁场干扰力矩，但是介绍较简略。Abbott等(“Computingminimum-power dipole solutions for interdipole forces using nonlinearconstrained optimization with application to electromagnetic formationflight”)利用序列二次规划方法进行求解磁矩，使线圈功耗最小，但是该方法没有考虑地磁场和航天器间的干扰力矩对航天器系统的影响。

本发明提出一种基于电磁力的集群航天器磁矩最优分配方法，将该问题转化为一个有约束条件的优化问题。首先建立了目标函数为总干扰力矩最小；其次，计算地磁场干扰力矩和航天器之间的干扰力矩；然后，分析航天器间力和磁矩的约束；最后，采用模拟退火算法优化计算两航天器中各轴线圈中的电流，实现磁矩最优分配。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于电磁力的集群航天器磁矩最优分配方法，包括以下步骤：

步骤1：分析磁矩分配问题本质；

基于电磁力的集群航天器磁矩分配问题，实质是从期望控制量到各航天器三轴线圈中电流的非线性映射过程。在控制律给出所需电磁力的基础上，通过合理分配各线圈中的电流，进而控制航天器各轴磁矩，最终实现磁矩的最优分配；

每个集群航天器在三个正交的轴上分别配备一个相同的电磁线圈，如图3所示；通过控制线圈中的电流，控制航天器的磁矩，进而控制两航天器之间的电磁力，最终实现对集群航天器系统相对运动的控制；磁矩的分配，本质上是一个电流优化分配问题，根据控制律所需的电磁力，通过选取目标函数，合理分配各航天器的控制电流，磁矩分配流程图如图4所示。

步骤2：建立目标函数；