中文摘要：

卫星编队几何构型保持控制的燃耗是影响其在轨运行寿命的决定性因素。大量个体集群运动的蜂拥不遵循确定的几何关系，仅从简单的个体局部控制规则就能使集群整体涌现出全局协调的状态，且表现出高度的适应性、鲁棒性、分散性和自组织性，这使其在卫星编队飞行中的应用前景非常诱人。但已有蜂拥控制算法无法明晰表达蜂拥的内在机制，不适合复杂的轨道动力学模型，且未考虑控制的最优性。本项目将针对蜂拥卫星编队全局协调的涌现及最优控制问题，基于自然界蜂拥的种群同一性现象，创新性地提出由种群基因匹配与个体行为模拟两个基本控制准则构成的蜂拥控制模型，进一步将蜂拥控制问题分解为非线性最优一致性问题与最优人工势函数构造问题。通过研究非线性最优一致性理论，实现蜂拥种群基因匹配，消除卫星间的长期漂移；通过构造与调整最优人工势函数，实现蜂拥个体行为模拟，最终使蜂拥卫星编队涌现出编队与蜂拥两种不同的全局协调状态，进而减小编队控制的燃耗。

结论摘要：

自然界中大量个体集群运动的蜂拥不遵循确定的几何构型，仅从简单的个体局部控制规则就能使集群整体涌现出一种松散、协调、稳定的形态长期存在，且表现出高度的适应性、鲁棒性、分散性和自组织性，在卫星编队飞行中具有非常诱人的应用前景。本项目创新性地提出了蜂拥卫星编队不仅要能模拟个体的行为特征，而最重要的是能够在运动特征上模拟编队卫星的种群同一性。仅通过局部最优控制就能实现全局协调，减小燃耗，简化控制算法，增强系统的稳定性与鲁棒性的目的。在此基础上对相对运动动力学建模、分析及求解，卫星编队轨迹设计与制导，蜂拥卫星编队飞行协同控制等问题分别展开了研究，主要包括以下研究内容针对不同因素影响下的相对运动动力学进行了建模、分析及求解。对于大椭圆轨道上的编队重构问题，建立了考虑二阶非线性项的椭圆轨道相对运动模型，综合采用变分法和摄动法对其进行了解析求解。建立了考虑引力偏心率、完全引力非线性和线性化J2项摄动的航天器相对轨道动力学方程，证明了该模型具有较高精度。结合一致性理论、能量匹配原理和时间延迟反馈的思想，建立了基于周期延迟误差同步的动力学模型。在卫星编队轨迹设计与制导方面，本项目利用自然力设计了自然保持的周期性相对轨道，并将遗传算法与序列二次规划算法结合，求解了满足约束的自然相对轨道初始条件，合理的考虑并利用J2摄动以减少燃料消耗、延长在轨寿命。针对传统的人工势函数法的缺陷，本项目通过对斥力势乘以修正项，使得在收敛点势能为零，并研究了躲避静态/动态障碍物的势函数制导方法。蜂拥卫星编队飞行协同控制方面，首先建立了蜂拥卫星编队涌现的控制模型与控制算法，使卫星编队在无障碍物和有障碍物情况下均可实现全局协调的蜂拥涌现状态，模拟了蜂拥的个体行为特征。其次设计了基于周期延迟误差的带有耦合增益的最优一致性反馈控制律，通过同步每个航天器的周期延迟误差，使所有航天器半长轴一致，满足蜂拥种群基因匹配条件，最终获得多航天器稳定的周期有界相对运动。最后，本项目还对基于循环追踪的多航天器六自由度协同控制进行了研究。改进了已有的可匹配自然构型的控制律并设计了可跟踪动态目标的分布式协同控制律。设计了六自由度协同控制律实现多航天器长期自然构型保持，同时跟踪常值的期望相对姿态或周期性时变期望姿态。