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洛伦兹航天器,作为一种新概念航天器,通过改变其自身表面的电荷量,在地磁场中运动时切割磁感线产生变化的洛伦兹力,在无工质消耗轨道机动、控制加速度误差补偿和卫星姿态调整等方面具有很大的应用潜力和发展空间。本文基于航天器悬停工程任务,研究了洛伦兹航天器作为伴随卫星在整个任务过程中需要的轨道姿态控制方法。主要研究工作和主要成果如下:1.基于航天器二体相对运动动力学方程,引入带电航天器在地磁场中受到洛伦兹力加速度项,建立了洛伦兹力辅助悬停动力学模型。通过数值仿真研究了地球均匀电场和J2摄动条件对航天器相对运动的影响,分析了洛伦兹力辅助悬停的可行性。2.分别对圆参考轨道和椭圆参考轨道、带电与非带电航天器的悬停特性进行分析。研究并改进了一种基于能量最优的电磁力辅助悬停控制方法。分析了轨道半长轴、偏心率、悬停构型、J2项摄动等因素对航天器悬停周期速度增量的影响,以及洛伦兹力辅助悬停节约工质消耗的效果。3.研究了洛伦兹航天器开展空间任务前的轨道机动最优控制问题。基于高斯伪谱法,分析了利用洛伦兹力作为推力实现无工质消耗轨道机动的可行性,并以控制能量最优为指标设计了轨道机动的过程轨迹。针对轨道机动和轨道悬停过程中存在的外部扰动,J2摄动及各种误差影响,设计了基于LQR的闭环跟踪控制器和非线性积分滑模控制器,保证伴随航天器在轨道机动和悬停过程中的稳定性。4.利用四元数描述了洛伦兹航天器的姿态运动情况,建立了姿态误差动力学模型,研究了其对目标航天器的全状态趋同的控制方法。考虑目标航天器为非合作目标,设计非线性观测器估计其角速度,验证估计值可以逐渐趋近于真实值。利用一种新型解决二次型最优控制问题的q-D方法,研究了存在洛伦兹力矩扰动和模型不确定性时的姿态跟踪问题。5.研究了洛伦兹航天器在轨服务期间的高精度姿态稳定与姿态调整控制问题。利用预测滤波方法来确定模型误差和外界扰动并对其进行了补偿,并基于航天器姿态误差模型和李雅普诺夫稳定理论设计了一种退步控制方法。实现了洛伦兹航天器大角度快速姿态机动,满足控制精度和稳定度要求。