分布式卫星-薄膜新型空间结构的在轨指向协同控制研究

Distributed satellite-space membrane structure means a new space structure which is composed of distributed satellites connected with membrane structure in space. This new space structure has many features, such as large developed area, super soft,autonomous maneuver,ect. Also,it is an important part of the future large space solar power system and the large space telescope. This project aims at the on-orbit pointing mission of the distributed satellite-space membrane structure, and studies the distributed coordinated control problem. The main research contents in this project include: first, the on-orbit dynamical model is established for the distributed satellite-space membrane structure, and its complex dynamical behavior should be analyzed and predicted under the centre of the earth's gravity field and the space environmental interference; then, in the adjustment of on-orbit pointing mission, minimizing the deformation and vibration of membrane structure is taken as the goal for the nonlinear optimal path planning of the distributed satellites and the symplectic numerical method; next, based on the known path, the nonlinear model predictive control is designed and the fast symplectic method is studied under the nonlinear model and the disturbances of space environment; at last, in the keeping of on-orbit pointing, minimizing the deviation between the real deformation and the expected shape of membrane structure is taken as the goal for designing the distributed coordinated control of membrane structure and its simplification method.

分布式卫星-薄膜空间结构是指在太空中的分布式卫星通过与薄膜结构连接而构成的新型空间结构，具有展开面积大、超轻柔性以及自主机动能力等特点，并且是未来大型空间太阳能电站和大孔径空间望远镜等的重要组成部分。本项目针对分布式卫星-薄膜空间结构的在轨指向任务需求，进行分布式协同控制研究。主要研究内容包括：首先，建立分布式卫星-薄膜空间结构的在轨动力学模型，并在地球中心引力场和空间环境干扰下，对其在轨复杂动力学行为进行分析与预测；然后，考虑在轨指向调整过程中，以薄膜结构变形与振动幅值极小化为目标，进行分布式卫星的非线性最优路径规划和保辛求解方法研究；其次，在标称路径基础上考虑模型的非线性和空间环境干扰的不确定性，进行非线性模型预测控制律设计和快速保辛求解方法研究；最后，考虑在轨稳定指向保持中，以薄膜结构与预定设计形状偏差最小为目标，进行薄膜结构形状保持的分布式协同控制系统设计与简化方法研究。

分布式卫星-薄膜空间结构在未来大型空间太阳能电站、大孔径空间望远镜等大型或巨型航天器结构中占有重要作用。对于在轨展开后的分布式卫星-薄膜空间结构来说，自身整体姿态机动和空间环境干扰是众多影响航天器姿态指向精度中的两个主要因素。为了保证分布式卫星-薄膜空间结构具有较高的稳定指向能力，本项目主要对分布式卫星-薄膜结构进行动力学分析以及主动控制研究。. 本项目主要在四方面开展研究工作：1）分布式卫星-薄膜空间结构的复杂动力学行为分析与预测。提出了适用于对称性结构分析的一种新的群论方法，完成了分布式卫星-薄膜空间结构的动力学建模工作，并采用参变量变分方法对分布式卫星-薄膜空间结构的复杂动力学行为进行分析与预测。2）考虑薄膜结构变形与振动的分布式卫星非线性最优路径规划。提出了考虑状态-控制受限的非均匀网格保辛最优控制算法，完成了含有薄膜结构变形与振动幅值极小化为目标的分布式卫星非线性最优路径规划工作，并对参数不确定性的分布式卫星轨迹规划进行安全性评估。3）分布式卫星-薄膜空间结构在轨机动的非线性模型预测控制律设计。提出了基于滚动时域控制的非线性模型预测制导辛方法，完成了分布式卫星-薄膜空间结构在轨机动的非线性模型预测控制律设计，并提出动态约束最优控制问题的保辛伪谱算法。4）薄膜空间结构在轨指向形状保持的分布式协同控制系统设计。提出了考虑控制输入时滞和受限的大规模分布式卫星薄膜结构的快速模型预测控制方法，完成薄膜空间结构在轨指向形状保持的分布式协同控制系统设计工作。. 本项目的研究成果为我国未来大型空间太阳能电站和大孔径空间望远镜等大型航天器的在轨指向控制提供重要的参考依据。