[发明专利]一种日心悬浮轨道上电动帆航天器编队飞行协同控制方法

说明书

本发明公开了一种日心悬浮轨道上电动帆航天器编队飞行协同控制方法，基于一致性理论的日心悬浮轨道附近多电动帆编队飞行，充分利用了航天器之间的通信交互，每个电动帆依靠对相邻成员进行信息感知来更新自身状态。与传统主从式编队控制方式相比，分布式协同控制策略不仅能够避免主航天器的单点故障进而增强系统鲁棒性，还可以实现机动过程中整个群体的状态一致。另外，冗余状态信息的引入也提高了控制精度。

技术领域

本发明属于航天技术领域，具体涉及一种日心悬浮轨道上电动帆航天器编队飞行协同控制方法。

背景技术

近年来，航天领域的研究热点从近地空间逐渐转向浩瀚深空，寻找一种高效的“星际穿越”方式是完成任务的前提，也是最关键的一环。早期的深空探测采用化学燃料火箭发动机，导致深空探测的飞行时间长且代价高，以致很多任务构想在技术上无法实现或者经济上难以承受。随后人们提出了多种基于新型推进方式的推进系统，如电推进、离子推进和核推进系统等。这些推进系统多以连续小推力为特征，比冲比脉冲式推力推进系统大得多。然而随着飞行距离的增长，上述小推力推进方式的开支仍难以承受。

近几来，芬兰气象研究所研究员Janhunen于2004年提出了一种新兴无限大比冲的电动帆航天器(简称电动帆)，以其在深空探测中的潜在应用受到国外相关科研机构的重视。电动帆由数十根(20～100)长而细的金属链条(25微米极细缆线)组成，这些金属链在航天器上自旋展开，其原理示意图如图1所示。与太阳帆的作用原理不同，电动帆上的电子枪可持续不断地向外喷射电子，使金属链条始终保持在高度的正电位，这些带电的金属链条会排斥太阳风质子，从而利用太阳风的动能冲力使电动帆产生连续的推力加速度。相比于目前更为人熟知的太阳帆，电动帆能够以更小的推进系统质量产生更大的推进加速度。由于太阳帆产生的推力与相对太阳距离成平方反比关系，而电动帆则为一次反比，因此，在星际远航任务中，电动帆的推力衰减速度相对于太阳帆的推力衰减速度较慢。另外，由于电动帆利用正电场对太阳风质子流进行反射，降低了反射材料质量。因此，在同等特征加速度要求下，电动帆相比于太阳帆质量更轻；在同等载荷比例的情况下，电动帆产生的加速度更大。

电动帆目前多用于星际轨道转移和实现一些非开普勒轨道，用来对行星或小行星进行绕飞或观测。然而，考虑到电动帆本身结构工艺及制造的复杂性(单个金属链条是由25微米极细缆线组成，极易被切断，目前可靠性尚未得到保证)，使得电动帆发射成本高、失效风险大、某分系统功能模块的故障可导致整个任务失败。另外，单个电动帆毕竟观测范围有限，而一些近地小行星或者科学任务(水星磁场)需要多角度、高分辨率跟踪，因此，有必要利用电动帆进行编队飞行。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种日心悬浮轨道上电动帆航天器编队飞行协同控制方法，通过将多个电动帆航天器分布在悬浮轨道周围构成编队，并基于一致性理论对编队成员进行分布式协同控制，不仅可以扩大对行星极区的观测范围，改善精度，还可以实现编队整体状态的一致性。与传统主从式结构框架相比，提高了系统鲁棒性。

为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：

步骤一，根据电动帆推力矢量模型，分析在日心悬浮轨道上单个电动帆的性能；

步骤二，对于太阳系内的多个行星，分别探讨在电动帆最大推力角限制下所允许的悬浮轨道参数；

步骤三，若悬浮轨道与行星同步，电动帆的推力角和特征加速度则通过解析给出。

所述步骤一中，日心悬浮轨道上电动帆航天器性能分析的具体方法如下：

电动帆的推力加速度表示为

其中，为特征加速度，为日地距离，r为太阳-电动帆距离，代表太阳-电动帆单位矢量，为帆面法向单位矢量，为锥角，a为推力角，k为无量纲推力加速度系数，推力矢量模型表明，推力角a和系数k均为锥角a_n的6次方程：