一种基于集群航天器电磁拖拽的空间碎片清除方案制造技术

本发明专利技术提供的一种基于集群航天器电磁拖拽的空间碎片清除方案，充分考虑了空间碎片清除过程中需要考虑的步骤，提出了一种清除空间碎片的新思路，避免了推进剂的羽流污染，且通过改变线圈内电流就能够进行控制，控制实现更加灵活，建立了碎片清除的数学模型，对碎片进行电磁相对导航，将碎片进行消旋，针对建立的数学模型进行控制系统的设计，最终确定电磁拖拽的实现方案。按照本发明专利技术提出的基于集群航天器电磁拖拽的空间碎片清除方案，能够延长航天器在轨工作寿命；提出了基于自组织网络的集群控制方法，能够实现多种功能的灵活组合，且极大地降低了成本；提出了基于无线能量传输的集群实现方式；提出了一种基于电磁力的集群航天器构型自抗扰控制方法，具有工程可实现性。

A Space Debris Clearance Scheme Based on Electromagnetic Drag of Cluster Spacecraft

The invention provides a space debris removal scheme based on electromagnetic dragging of cluster spacecraft, fully considers the steps that need to be considered in the process of space debris removal, and proposes a new idea of removing space debris, which avoids the plume pollution of propellant, and can be controlled by changing the current in the coil, which makes the control more flexible, and establishes the mathematics of debris removal. The model carries on the electromagnetic relative navigation to the debris, cancels the debris, designs the control system according to the established mathematical model, and finally determines the realization scheme of the electromagnetic dragging. According to the present invention, the space debris removal scheme based on electromagnetic dragging of Cluster spacecraft can prolong the life of spacecraft in orbit; a cluster control method based on self-organizing network is proposed, which can realize flexible combination of multiple functions and greatly reduce the cost; a cluster implementation method based on wireless energy transmission is proposed; and a set of electromagnetic forces is proposed. Active disturbance rejection control (ADRC) method for group spacecraft configuration has engineering realizability.

【技术实现步骤摘要】
一种基于集群航天器电磁拖拽的空间碎片清除方案
本专利技术属于集群航天器电磁拖拽和空间碎片清除
，具体涉及一种基于集群航天器电磁拖拽的空间碎片清除方案。
技术介绍
第一颗人造卫星发射以来，空间目标数量逐年增长，至今直径大于1mm的空间目标总数已超过4000万颗。NASA空间碎片项目办公室从20世纪90年代以来一直对空间碎片进行跟踪研究，据其报告，空间物体总质量已超过6000吨，目前空间碎片数量仍以每年约5％的速度增长。大量空间碎片的存在，已经严重的阻碍了航天事业的发展。空间碎片数量的不断增长，致使空间环境日益恶化，严重威胁在轨运行航天器的安全，尤其是运行在航天任务较为集中的近地轨道(LEO)空间的航天器。对LEO空间碎片进行主动清理，已逐渐成为各航天国家的共识。为了减小空间碎片的威胁，目前在工程实践中已普遍采用探测、建模、防护和减缓等应对措施。例如，拖船捕获离轨方案，虽然技术成熟度较高，可操控性较强，但由于需要消耗较多的推进剂，清除成本相对较高；增阻装置方案，成本较低，可重复性较强，适合于低轨碎片云的清理，但是由于必须借助大气阻力，不适合高轨碎片的清除；电动力绳系方案，离轨操作时不需要消耗推进剂，但是长系绳增加了操控的难度和碎片撞击的风险；本专利技术利用集群航天器，通过电磁拖拽清除空间碎片，集群航天器系统包括清除卫星、通信卫星、能源卫星、评估卫星，多个异构卫星形成集群航天器系统，可以实现任意卫星组合来完成不同任务。而且，当某颗卫星发生故障或失效时，仅需发射一颗小卫星替换即可；若一颗大卫星的部分发生故障，则需发射整颗大卫星才能够实现功能替换，与之相比成本更低，且可靠性更高。本专利技术中，通过电磁拖拽，使清除卫星与空间碎片形成稳定构形，进而将其拖拽至目标轨道。每颗卫星间、卫星与空间碎片之间均通过电磁力进行非接触连接，可以避免羽流污染；通过改变线圈电流改变航天器间的作用力，进而改变构形，因此只需改变线圈电流就能够实现对卫星的控制，与通过推力器对卫星进行控制相比，控制的灵活性更好且更精准。
技术实现思路
针对现有技术存在的缺陷，本专利技术提供一种用于集群航天器电磁拖拽的自抗扰控制方法，能够实现高精度的电磁拖拽控制，且快速性、抗抖振能力和抗扰性都明显优于有限时间控制。本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术提供一种用于集群航天器电磁拖拽的自抗扰控制方法，包括以下步骤：步骤1：数学模型建立，包括电磁力模型和航天器相对运动动力学模型的建立；本专利技术采用远场电磁模型，并基于Hill模型，采用航天器系统质心参考系作为参考坐标系，建立基于电磁力的集群航天器的相对运动模型。步骤2：电磁相对导航，包括目标磁偶极子大小和方向、相对位置和滚转轴姿态的确定；步骤2.1：目标磁偶极子和相对位置的确定：电磁相对导航仅通过测量目标磁偶极子在拖拽航天器处产生的磁场，和拖拽航天器通过电磁感应产生的力，最终确定目标航天器的相对位置和姿态。尽管不能够直接测量获得，但是通过已知的拖拽航天器的质量，并测量该航天器的加速度，就能够通过计算得到拖拽航天器电磁感应产生的力；如果拖拽航天器上的力不能够准确测量，那么可以测量磁场梯度，测量磁场及其梯度就能够得到磁偶极子的位置；步骤2.2：目标磁偶极子滚转轴姿态的确定：磁矩假设在目标的地理中心处，这一自由度可以通过卡尔曼滤波确定，在航天器自旋运动确定时，这一自由度还由磁场和磁场梯度的测量决定。步骤3：消旋；在清除碎片之前首先要将空间碎片消旋；消旋的基本原理是基于电磁感应原理；由于清除卫星的电磁场作用于碎片，使其感应出磁偶极子，从而使碎片消旋；首先要满足清除卫星产生的磁场与空间碎片的旋转轴垂直，有两种方法可以进行消旋：一种是清除卫星磁场固定，改变与空间碎片的相对运动；另一种是清除卫星与空间碎片的相对运动固定，改变卫星产生的磁场。步骤4：控制系统设计；为便于分析，假设以反作用飞轮完成卫星的姿态控制，在建模过程中暂不考虑电磁力矩对相对轨道运动的影响；通过相对构形和位置信息能够计算得出期望相对位置，航天器的位置信息可测，进而能够获得实时的相对位置信息，设计了集群航天器构形维持的自抗扰控制系统。步骤5：确定电磁拖拽实现方案；具体的，电磁拖拽的实现包括电磁线圈实现方案和涡流实现方案；步骤5.1：电磁线圈实现方案：对于航天器线圈，应该选取密度小、电阻小、载流量大的材料。目前材料中超导材料具有在一定条件下零电阻的优势，但是由于太空中很难维持低温条件，超导技术还有待提高；由于在太空中昼夜温差大、环境恶劣，在选取线圈材料时要综合考虑以上因素；传统金属材料当中，铝材由于密度较低，机械性能和经济性较好，在航天上应用最为广泛，是线圈材料的一种可选方案；高温超导技术在近几十年来取得了显著进展，主要表现在临近温度、临近磁感应强度和临界电流的提高和加工工艺的优化，高温超导材料线圈的应用将使得电磁线圈的性能极大提高，为设计带来极大便利；步骤5.2：涡流实现方案：如果空间目标是非合作的，航天器需要通过机械机构直接对其进行作用，或使用场力进行拖拽，但是这种相互作用会影响航天器中的某些部件。但是由于大多数卫星有铝制外壳，可以产生涡流，进而航天器之间能够产生非接触力；在改变另一颗卫星轨道的任务中，航天器可以用推力器减小与目标航天器的距离和相对速度；然后启用涡流驱动器，使两者距离进一步减小；然后再利用推力器给涡流驱动器一个力矩，来改变目标的轨道；由于磁场抵抗相对运动，因此涡流驱动器的磁场能够将部分力矩传输给目标，是目标航天器进入期望轨道。这一过程中，推力器可以多次点火、拖拽直到目标处于期望轨道，如果目标航天器已经失效，便可以将目标拖拽进入坟墓轨道。本专利技术提供的一种基于集群航天器电磁拖拽的空间碎片清除方案具有以下优点：本专利技术提供的一种基于集群航天器电磁拖拽的空间碎片清除方案，充分考虑了空间碎片清除过程中需要考虑的步骤，提出了一种清除空间碎片的新思路，避免了推进剂的羽流污染，且通过改变线圈内电流就能够进行控制，控制实现更加灵活，建立了碎片清除的数学模型，对碎片进行电磁相对导航，将碎片进行消旋，针对建立的数学模型进行控制系统的设计，最终确定电磁拖拽的实现方案。按照本专利技术提出的基于集群航天器电磁拖拽的空间碎片清除方案，能够延长航天器在轨工作寿命；提出了基于自组织网络的集群控制方法，能够实现多种功能的灵活组合，且极大地降低了成本；提出了基于无线能量传输的集群实现方式；提出了一种基于电磁力的集群航天器构型自抗扰控制方法，具有工程可实现性。附图说明图1为本专利技术提供的一种基于集群航天器电磁拖拽的空间碎片清除方案的流程示意图；图2为电磁相对导航分析示意图。具体实施方式为了使本专利技术所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。结合图1，本专利技术提供一种用于集群航天器电磁拖拽的自抗扰控制方法，包括以下步骤：结合图1，本专利技术提供一种基于集群航天器电磁拖拽的空间碎片清除方案，包括以下步骤：步骤1：数学模型建立；具体的，包括电磁力模型和航天器相对运动动力学模型的建立。步骤1.1：电磁力模型的建立：电磁力模型是研究电磁力系统动力学和控制问题的基础。电磁作用力和力矩建模主要依据本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于集群航天器电磁拖拽的空间碎片清除方案，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：数学模型建立，包括电磁力模型和航天器相对运动动力学模型的建立；步骤2：电磁相对导航，包括目标磁偶极子大小和方向、相对位置和滚转轴姿态的确定；步骤3：消旋；步骤4：控制系统设计；步骤5：确定电磁拖拽实现方案，包括电磁线圈实现方案和涡流实现方案。

【技术特征摘要】
1.一种基于集群航天器电磁拖拽的空间碎片清除方案，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：数学模型建立，包括电磁力模型和航天器相对运动动力学模型的建立；步骤2：电磁相对导航，包括目标磁偶极子大小和方向、相对位置和滚转轴姿态的确定；步骤3：消旋；步骤4：控制系统设计；步骤5：确定电磁拖拽实现方案，包括电磁线圈实现方案和涡流实现方案。2.根据权利要求1所述的一种基于集群航天器电磁拖拽的空间碎片清除方案，其特征在于，步骤2中，包括目标磁偶极子大小和方向、相对位置和滚转轴姿态的确定：步骤2.1：目标磁偶极子和相对位置的确定：电磁相对导航仅通过测量目标磁偶极子在拖拽航天器处产生的磁场，和拖拽航天器通过电磁感应产生的力，最终确定目标航天器的相对位置和姿态。尽管不能够直接测量获得，但是通过已知的拖拽航天器的质量，并测量该航天器的加速度，就能够通过计算得到拖拽航天器电磁感应产生的力；通过测量目标航天器的加速度和周围磁场，拖拽航天器就能够得到目标航天器的位置；如果拖拽航天器上的力不能够准确测量，那么可以测量磁场梯度，测量磁场及其梯度就能够得到磁偶极子的位置；步骤2.2...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡敏，杨茗棋，郭光衍，朱晓辉，史增凯，张玉坤，徐家辉，孔繁强，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学，
类型：发明
国别省市：北京,11