分布式空间太阳能电站的队形设计与协同控制

Solar power satellites (SPS) system has received wide attention among the developed countries as a promising way to generate renewable energy.Large scale satellite formation-based distributed SPS system can mitigate some of SPS's most trouble historic constraints, such as the requirements for heavy lift launch vehicles and the need for significant assembly in space. Furthermore, distributed SPS system can decrease mission risk and cost,and increase systen reliabilty and maintainability.SPS system flies at geostationary orbit, and the required lifetime is a few decades. Futhermore,the distributed SPS system contains a large number (hundreds to thousands) satellites.Thus, it results in increased complexity and challenges for formation design and control. This project will develop relative motion dynamics, present formation design methods, and propose coordinated formation control methods for distributed SPS system. Firstly, this project will develop high-fidelity dynamic model for relative motion in geostationary orbits. Then, we will present passive stable formation design methods, which takes into account of mission geometry requirments and collision avoidance. Thereafter, we will propose coordinated formation control methods using local information exchange for large-scale satellite formation. The formation control methods should be fuel-efficient and avoid collision among satellites. Lastly, numerical simulations should be carried out to validate the proposed methods. This project will provide theoretic basis for future distributed SPS mission.

作为一种很有前景的可再生能源系统，空间太阳能电站得到各发达国家的广泛关注。基于大规模卫星编队的分布式空间太阳能电站具有降低空间运输和空间装配要求，降低任务风险和成本，提高系统的可维护性和可靠性等优点。空间太阳能电站一般运行在地球静止轨道，寿命要求长达几十年，且参与编队的卫星数量多达上百颗甚至上千颗。这给编队队形设计和协同控制提出了很大的挑战。本项目研究分布式空间太阳能电站的相对运动动力学建模、队形设计和协同控制等问题。首先建立描述地球静止轨道上卫星间相对运动的高精度模型。其次，设计出满足任务几何要求和运行安全性要求的在各主要摄动下长期被动稳定的编队队形。然后，针对队形建立、重构和维持问题，考虑燃料有效性和星间碰撞规避，提出适合大规模卫星编队的基于局部信息交互的分布式队形协同控制方法。最后通过仿真验证相关方法的有效性，为分布式空间太阳能电站的实现提供理论基础。

作为一种很有前景的可再生能源系统，空间太阳能电站得到各发达国家的广泛关注。基于大规模卫星编队的分布式空间太阳能电站具有降低空间运输和空间装配要求，降低任务风险和成本，提高系统的可维护性和可靠性等优点。空间太阳能电站一般运行在地球静止轨道，寿命要求长达几十年，且参与编队的卫星数量多达上百颗甚至上千颗。这给编队队形设计和协同控制提出了很大的挑战。本项目研究分布式空间太阳能电站的相对运动动力学建模、队形设计和协同控制等问题。首先利用拉格朗日方程，建立了描述地球静止轨道上卫星间相对运动的高精度模型，动力学模型考虑了太阳光压和高阶引力场多种摄动，仿真结果验证了模型的精确性。其次，设计了满足任务几何要求和运行安全性要求的在各主要摄动下长期被动稳定的编队队形，设计出的构型在HPOP高精度轨道动力学模型验证下能够多天被动稳定；然后，针对队形建立、重构等构形机动问题提出了燃料最优具有碰撞规避的分布式队形机动轨迹优化方法。机动后的构形既能满足任务几何约束也能够长期被动稳定。随后针对队形建立、重构问题，考虑燃料有效性和星间碰撞规避，提出适合大规模卫星编队的基于局部信息交互的分布式队形协同控制方法。构形控制精度精度高，能达到厘米级别，能满足大多数航天器编队的构形控制精度要求。最后通过半物理仿真验证相关方法的有效性，为分布式空间太阳能电站以及其它地球静止轨道上航天器编队任务的实现提供理论基础和技术支持。