[发明专利]一种基于星间洛伦兹力的多卫星编队构型设计方法

说明书

本发明公开了一种基于星间洛伦兹力的多卫星编队构型设计方法，包括：1)主星绕地球做圆周运动，在主星上放置一个自动旋转的人工磁场；2)旋转的磁场使伴飞卫星切割人工磁场磁感线，产生的洛伦兹力使伴飞卫星绕主星运动；3)当人工磁场与主星绕地球运动的轨道面垂直时，求解从星的运动方程得相对于主星速度为零、而相对位置不变的平衡点；4)求解了多个对称的步骤3)中平衡点，得到平衡点周围对应对称的周期轨道族；5)选择稳定的、对称的周期轨道，其周期相同可以保证构型随着时间的推演能够保持；6)在每个周期轨道上放置一个从星，得到一个多星编队构型。实现多个卫星的同步运动，保证这几颗卫星的连线一直处在平一个平面上。

技术领域

本发明涉及航空航天领域，特别涉及一种基于星间洛伦兹力的多卫星编队构型设计方法。

背景技术

洛仑兹力编队是近来的一个新概念的研究热点，以其无工质消耗、无化学污染的优点成为未来编队飞行的发展趋势。目前有两个设计方案，一个是利用地球磁场对地磁圈以内的带电卫星产生的洛伦兹力来实现编队；另一种是在航天器自身上携带一个人工磁场载荷，由三个正交的超导线圈组成，并用反应轮来抵消旋转产生的扭矩，以稳定卫星的姿态，利用不同磁场之间的电磁力来实现相对位置和姿态的控制。第一种方案由于地磁场对高轨卫星(地磁圈以外)的影响很弱，而地磁场以内的电离子环境比较复杂，应用相对比较受限制。第二种方案因为电磁力随着距离的增大，以立方反比的速度衰减，所以更多用于近距离编队的设计。

彭超提出了一种利用星间洛仑兹力的模型，只在一颗卫星上放置人工磁场，然后在使从星带电，利用主星上磁场对从星施加的洛伦兹力来设计编队构型。

发明内容

为了克服以上缺点，本发明提供了一种基于星间洛伦兹力的多卫星编队构型设计方法。本方法设计一个多星编队构型，因为多个轨道的周期相同，可以实现多个卫星的同步运动，保证这多颗卫星的连线一直处在平一个平面上。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于星间洛伦兹力的多卫星编队构型设计方法，包括以下步骤：

(1)主星先绕地球做圆周运动，在主星上放置一个自动旋转的人工磁场；

(2)伴飞卫星处于主星上产生的旋转人工磁场中，旋转的磁场使伴飞卫星切割人工磁场磁感线，产生的洛伦兹力使伴飞卫星绕主星运动；

(3)当人工磁场与主星绕地球运动的轨道面垂直时，求解从星的运动方程得相对于主星速度为零、而相对位置不变的平衡点，平衡点是在相对运动坐标系中与主星相对静止的点，在该点从星所受的地球引力与洛伦兹力相抵消；

(4)求解了多个对称的步骤(3)中平衡点，平衡点存在中心流形时，其周围存在周期轨道，对其进行延拓，得到平衡点周围对应对称的周期轨道族；

(5)对步骤(4)中的周期轨道进行稳定性分析，选择稳定的、对称的周期轨道；

(6)通过在每个周期轨道上放置一个从星，得到一个多星编队构型。

步骤(1)中，所述的人工磁场由三个正交的超导线圈产生，其旋转产生的扭矩由反应轮来抵消，用于稳定卫星的姿态，产生的磁场用磁偶极子来近似；通过控制每个线圈是否通电以及通过的电流大小，得到任何方向的磁场；其磁场强度表征为：

其中，μ₀＝4π×10^-7N/A²是真空磁导率，磁场强度是由线圈的圈数n_c、通过的电流大小i_c以及线圈的横截面积所决定的。通过调节这三个参数可以生成不同量级的人工磁场，当i_c＝6.4×10⁹A、n_c＝1000以及R_c＝1m时，B₀约等于8×10⁵T·m²。