航天器電磁編隊飛行是一種無推進劑消耗的編隊飛行方式，它的工作原理是為每個航天器安裝電磁線圈，通過不同航天器上電磁線圈之間相互作用產(chǎn)生的電磁力和電磁力矩控制航天器的相對運動。航天器電磁編隊的控制過程無須消耗推進劑，且具有無羽流污染、控制力連續(xù)的優(yōu)點，但電磁場的強非線性和位姿耦合也給編隊動力學(xué)建模和控制帶來挑戰(zhàn)。
本書結(jié)合作者團隊近年來的研究進展，系統(tǒng)介紹了在姿軌耦合和強非線性情況下的航天器編隊動力學(xué)建模與磁矩優(yōu)化分配，航天器電磁編隊的姿軌耦合控制，航天器電磁編隊的欠驅(qū)動控制，基于端口哈密頓動力學(xué)的航天器電磁編隊動力學(xué)建模與控制等方面的最新研究成果，以及地面實驗系統(tǒng)的設(shè)計方案。
本書可供從事航天工程、深空探測、控制理論與控制工程相關(guān)研究領(lǐng)域的技術(shù)人員和高等院校相關(guān)專業(yè)師生參考使用。

（1）本書立足航天技術(shù)前沿，瞄準國家重大需求，以電磁力航天器編隊的動力學(xué)與控制為主要內(nèi)容，結(jié)合研究團隊近年來的科學(xué)研究成果編撰而成。 （2）書中遵循由淺入深、由易到難、由簡到繁、循序漸進的方式，較為系統(tǒng)地介紹了電磁力航天器編隊的非線性動力學(xué)建模與控制等技術(shù)。 （3）包含了大量的一線工作案例，圖文并茂、系統(tǒng)性強，幫助讀者更好的理解高精度航天器編隊的相關(guān)技術(shù)，對未來航天器設(shè)計的研究發(fā)展具有很好的參考價值和指導(dǎo)意義。 （4）本書適用于航空航天、深空探測、控制理論與控制工程相關(guān)研究領(lǐng)域的工程技術(shù)人員和高等院校專業(yè)師生。

航天器編隊飛行具有顯著的技術(shù)特色和廣闊的應(yīng)用前景，概念一經(jīng)提出就得到國際航天領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，各航天大國制定了一系列研究和工程計劃，在21世紀的前兩個十年，針對航天器編隊動力學(xué)、導(dǎo)航與控制等問題開展了大量研究，取得了豐碩成果。但是高精度的航天器編隊始終面臨著頻繁控制導(dǎo)致燃料消耗、影響任務(wù)壽命的難題，制約了工程實施。為應(yīng)對此困境，針對一些高精度編隊應(yīng)用，專家學(xué)者提出了采用航天器間的電磁力實現(xiàn)構(gòu)型重構(gòu)與保持，減少燃料消耗的技術(shù)方案，成為航天器編隊技術(shù)研究的新熱點。但是航天器電磁編隊的復(fù)雜非線性也給動力學(xué)建模與控制技術(shù)帶來諸多挑戰(zhàn)。本書立足航天技術(shù)前沿，瞄準國家重大需求，以航天器電磁編隊的動力學(xué)與控制為主要內(nèi)容，結(jié)合研究團隊近年來的科學(xué)研究成果編撰而成。
本 書力求遵循由淺入深、由易到難、由簡到繁、循序漸進的方式，較為系統(tǒng)地介紹了電磁力航天器編隊的非線性動力學(xué)建模與控制等技術(shù)，其內(nèi)容包括航天器編隊飛行的概念及發(fā)展現(xiàn)狀、航天器電磁編隊的動力學(xué)建模、航天器電磁編隊的六自由度控制和欠驅(qū)動控制、深空探測航天器編隊的自主導(dǎo)航以及地面實驗系統(tǒng)的設(shè)計等八部分。第1章緒論，介紹航天器編隊飛行與電磁力航天器編隊的概念，以及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀；第2章航天器編隊動力學(xué)基礎(chǔ)，介紹坐標系定義、航天器編隊動力學(xué)、相對姿態(tài)動力學(xué)等基礎(chǔ)知識；第3章航天器電磁編隊動力學(xué)建模與磁矩分配，介紹電磁力、磁偶極子的建模與計算，基于遠場模型的電磁力包絡(luò)分析，針對航天器電磁編隊的坐標系定義、相對動力學(xué)建模，以及磁矩優(yōu)化分配方法；第4章航天器電磁編隊的六自由度控制，介紹針對電磁力航天器編隊姿軌耦合問題的相關(guān)研究，包括基于對偶四元數(shù)的電磁編隊交會對接控制、姿軌一體化控制以及基于自抗擾方法的高精度編隊控制；第5章航天器電磁編隊的欠驅(qū)動控制，主要介紹在欠驅(qū)動情況下編隊重構(gòu)與懸?？刂品椒?；第6章基于端口哈密頓動力學(xué)的航天器編隊動力學(xué)建模，主要介紹一種新的動力學(xué)建模方法，并給出了近地和日地L2點航天器編隊端口哈密頓動力學(xué)模型；第7章深空探測航天器編隊自主相對導(dǎo)航，介紹基于相對測量的深空探測航天器編隊自主導(dǎo)航技術(shù)；第8章地面實驗系統(tǒng)與仿真軟件設(shè)計，介紹航天器電磁編隊飛行地面實驗系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計、多維超導(dǎo)電磁場建模與數(shù)字仿真軟件的開發(fā)。
本書是筆者及科研團隊在航天器編隊飛行領(lǐng)域多年科研實踐工作基礎(chǔ)上的總結(jié)，由周慶瑞、刁靖東、宋瑩瑩、孟斌為主撰寫，并負責(zé)全文的統(tǒng)稿與審校。其中，第1章由周慶瑞、刁靖東、孟斌撰寫；第2章由宋瑩瑩、刁靖東、孟斌撰寫；第3、4章由宋瑩瑩、周慶瑞撰寫；第5章由邵將、周慶瑞、孟斌撰寫；第6章由王家明、鄭威、周慶瑞撰寫；第7章由葉子鵬、周慶瑞、王輝撰寫；第8章由刁靖東統(tǒng)稿，8.1節(jié)由刁靖東、葉東撰寫，8.2.2節(jié)、8.2.3節(jié)由方衛(wèi)中、刁靖東撰寫，8.2.1節(jié)、8.2.4節(jié)由朱彤華、刁靖東撰寫。同時，筆者所在團隊的孫昌浩、王曉初、楊英、馮宇婷等在材料收集、學(xué)術(shù)討論、圖表繪制和公式編寫上完成了大量工作。
本書撰寫工作得到了中國空間技術(shù)研究院錢學(xué)森空間技術(shù)實驗室領(lǐng)導(dǎo)和同事的鼎力支持和無私幫助，研究過程中得到了中國航天科技集團公司包為民院士、吳宏鑫院士，西安電子科技大學(xué)鄭曉靜院士的指導(dǎo)和幫助，另外本書還得到了哈爾濱工業(yè)大學(xué)葉東教授、杭州易泰達公司方衛(wèi)中博士的大力支持，并參與完成了部分章節(jié)的撰寫，在此一并表示衷心的感謝! 本書的出版得到科技部重點研發(fā)項目(2018YFA0703802)、航天科技集團自主研發(fā)等項目的資助，在此深表謝意!
航天器電磁編隊飛行是一個新興的技術(shù)領(lǐng)域，在對地觀測、空間探測，尤其是深空探測領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，隨著各種深空探測任務(wù)的推進和工程實施，將會促使該領(lǐng)域出現(xiàn)更多創(chuàng)新性的理論、方法和技術(shù)。本書面向深空探測等國家戰(zhàn)略需求，重點介紹了筆者團隊在該領(lǐng)域的最新研究進展，希望能給讀者提供動力學(xué)建模與編隊控制的技術(shù)參考。
受限于筆者能力，本書的觀點難免有不妥之處，懇請讀者批評指正，使之完善提高。

著者
2023年11月于北京航天城

第1章 緒論 1
1.1 航天器編隊飛行的概念與內(nèi)涵2
1.2 航天器編隊飛行計劃4
1.2.1 對地觀測與空間探測領(lǐng)域4
1.2.2 深空探測領(lǐng)域8
1.3 航天器電磁編隊飛行11
1.4 航天器編隊飛行技術(shù)研究現(xiàn)狀12
1.4.1 航天器編隊飛行動力學(xué)建模方法12
1.4.2 航天器編隊控制技術(shù)17
1.4.3 航天器電磁編隊的動力學(xué)與控制技術(shù)18
1.4.4 深空探測編隊自主導(dǎo)航技術(shù)21

第2章 航天器編隊動力學(xué)基礎(chǔ) 23
2.1 坐標系定義24
2.2 近地軌道航天器編隊動力學(xué)24
2.2.1 C-W 方程26
2.2.2 T-H 方程26
2.2.3 Lawden方程28
2.3 日地L2點航天器編隊動力學(xué)29
2.3.1 編隊坐標系的建立30
2.3.2 動力學(xué)方程建模31
2.4 航天器編隊相對姿態(tài)動力學(xué)32
2.4.1 姿態(tài)的描述32
2.4.2 姿態(tài)動力學(xué)和運動學(xué)模型34
2.5 航天器姿軌一體化動力學(xué)36
2.5.1 對偶四元數(shù)36
2.5.2 對偶質(zhì)量與對偶動量38
2.5.3 單航天器動力學(xué)建模39
2.5.4 誤差動力學(xué)方程40
本章小結(jié)40

第3章 航天器電磁編隊動力學(xué)建模與磁矩分配 41
3.1 電磁模型及分析42
3.1.1 磁場和磁矢勢42
3.1.2 電磁力和電磁力矩43
3.1.3 遠場電磁模型44
3.1.4 遠場電磁模型誤差分析45
3.2 遠場電磁模型包絡(luò)分析47
3.2.1 可控磁偶極子48
3.2.2 電磁力包絡(luò)49
3.2.3 電磁力矩包絡(luò)53
3.3 航天器電磁編隊動力學(xué)建模57
3.3.1 航天器電磁編隊的坐標系定義57
3.3.2 航天器電磁編隊相對動力學(xué)58
3.3.3 外界干擾建模58
3.4 航天器電磁編隊的磁矩優(yōu)化分配方法60
3.4.1 坐標系轉(zhuǎn)換與快速求解61
3.4.2 雙星磁矩分配與優(yōu)化63
本章小結(jié)70

第4章 航天器電磁編隊的六自由度控制 72
4.1 基于對偶四元數(shù)的電磁編隊交會對接控制73
4.1.1 相對運動學(xué)方程73
4.1.2 控制器設(shè)計74
4.1.3 仿真分析75
4.2 航天器電磁編隊姿軌一體化控制77
4.2.1 電磁編隊動力學(xué)與動力學(xué)模型77
4.2.2 期望編隊構(gòu)型79
4.2.3 誤差動力學(xué)80
4.2.4 電磁模型及磁矩求解81
4.2.5 控制器設(shè)計86
4.2.6 仿真分析90
4.3 基于自抗擾方法的航天器電磁編隊控制97
4.3.1 平動控制98
4.3.2 姿態(tài)控制99
4.3.3 角動量管理101
4.3.4 仿真分析102
本章小結(jié)110

第5章 航天器電磁編隊的欠驅(qū)動控制 111
5.1 電磁編隊欠驅(qū)動控制可行性分析112
5.2 欠驅(qū)動線性二次型調(diào)節(jié)器114
5.2.1 LQR控制權(quán)重間接估計法114
5.2.2 數(shù)值仿真與分析116
5.3 欠驅(qū)動編隊重構(gòu)控制方法121
5.3.1 徑向欠驅(qū)動滑模控制121
5.3.2 跡向欠驅(qū)動滑?？刂?25
5.3.3 數(shù)值仿真與分析128
5.4 欠驅(qū)動編隊懸?？刂品椒?34
5.4.1 懸停位置可行解134
5.4.2 基于擾動觀測器的懸?？刂?35
5.4.3 欠驅(qū)動同步控制方法138
5.4.4 數(shù)值仿真與分析140
本章小結(jié)143

第6章 基于端口哈密頓動力學(xué)的航天器編隊動力學(xué)建模 145
6.1 端口哈密頓力學(xué)基礎(chǔ)146
6.1.1 端口哈密頓系統(tǒng)簡介146
6.1.2 端口哈密頓系統(tǒng)定義148
6.1.3 端口哈密頓系統(tǒng)特性149
6.2 近地軌道航天器編隊端口哈密頓動力學(xué)建模150
6.2.1 坐標系定義150
6.2.2 編隊運動相對動力學(xué)建模151
6.3 日地L2點航天器編隊端口哈密頓動力學(xué)建模153
6.3.1 圓形限制性三體問題153
6.3.2 編隊系統(tǒng)相對運動動力學(xué)建模155
6.4 基于無源控制的航天器編隊隊形重構(gòu)157
6.4.1 基于互聯(lián)和阻尼分配無源性的控制方法157
6.4.2 控制系統(tǒng)設(shè)計157
6.4.3 近地軌道航天器編隊控制158
6.4.4 日地L2點航天器編隊控制159
本章小結(jié)161

第7章 深空探測航天器編隊自主相對導(dǎo)航 162
7.1 航天器編隊自主相對導(dǎo)航概述163
7.2 基于相對測量的航天器編隊自主導(dǎo)航164
7.2.1 相對測量技術(shù)在編隊自主導(dǎo)航中的應(yīng)用164
7.2.2 基于相對測量的深空探測航天器編隊自主相對導(dǎo)航166
7.3 航天器編隊相對導(dǎo)航仿真分析172
7.3.1 深空探測仿真場景想定172
7.3.2 仿真實驗結(jié)果173
7.3.3 實驗結(jié)果分析176
本章小結(jié)178

第8章 地面實驗系統(tǒng)與仿真軟件設(shè)計 180
8.1 地面實驗系統(tǒng)軟硬件設(shè)計181
8.1.1 衛(wèi)星模擬器分系統(tǒng)183
8.1.2 超導(dǎo)電磁線圈分系統(tǒng)190
8.1.3 氣浮平臺分系統(tǒng)196
8.1.4 室內(nèi)定位分系統(tǒng)197
8.2 多維超導(dǎo)電磁場建模與仿真軟件199
8.2.1 有限元法建模201
8.2.2 解析法建模204
8.2.3 模型校核方法210
8.2.4 可視化界面220
本章小結(jié)221

參考文獻 222