该文档属于类型a，是一篇关于利用异构卫星群进行空间结构在轨组装与重构的原创性研究论文。
主要作者与研究机构
本研究由南京航空航天大学力学与控制航空航天结构国家重点实验室的Dengliang Liao、Xingyi Pan、Zhengtao Wei和Ti Chen*（通讯作者）共同完成，发表在Acta Astronautica期刊2025年第229卷（166-180页）。
学术背景
研究领域与动机
研究聚焦于空间在轨自主组装与重构（On-orbit Assembly and Reconfiguration）技术，属于航天器集群协同控制与空间结构设计的交叉领域。随着空间任务的复杂度提升，传统火箭发射受限于整流罩尺寸、有效载荷质量等问题，构建超大型空间结构（如空间太阳能电站、大型望远镜）需依赖在轨组装技术。现有研究多集中于单个机器人或同构卫星群组装，而异构卫星群（Heterogeneous Satellite Swarms）的协同组装与动态重构能力尚未充分探索。
背景知识与研究目标
- 理论基础：研究基于Vicsek分形几何（Vicsek Fractal）的自相似特性，提出分阶段、分组的组装策略，并结合Clohessy-Wiltshire（C-W）方程描述卫星相对运动动力学。
- 核心目标：开发一种面向125个刚性模块卫星和2个柔性模块卫星组成的超大型结构的组装与重构方法，解决传统重构方式（如机械臂操作）的灵活性不足、能耗高等问题。
研究流程与方法
1. 组装策略设计
研究对象：127颗异构卫星（125刚性+2柔性），仿真中卫星参数如下：
- 刚性卫星：质量62.5 kg，尺寸0.5×0.5×0.5 m³，均匀立方体。
- 柔性卫星：质量300 kg，含10米跨度柔性附件，模态参数通过耦合矩阵（Coupling Matrix）建模。
分阶段组装流程：
1. 第一阶段：5颗卫星为一组，组装成十字形单元（共25组）；
2. 第二阶段：25组十字形单元进一步组装为更大十字形结构（5组）；
3. 第三阶段：5组大型十字形结构最终集成为Vicsek分形构型，柔性卫星作为太阳能板附加至主结构。
关键技术：
- 预组装与对接（Pre-assembly and Docking）：预组装阶段采用PD控制器结合碰撞避免算法（基于危险区半径δ和避碰区半径d的势场函数）；对接阶段切换至纯PD控制。
- 姿态同步：针对刚性/柔性卫星分别设计SO(3)空间控制器，通过Lyapunov函数证明稳定性。
2. 重构策略设计
三阶段重构流程：
1. 分散阶段（Dispersal）：主结构分解为25个十字形单元，柔性卫星分离；
2. 单元重构（Unit Reconfiguration）：十字形单元转为线形构型（通过卫星分离-重组）；
3. 重组阶段（Reassembly）：25个线形单元分两步组装为最终长线形结构，柔性卫星附着两端。
3. 动力学建模与控制
- 相对运动模型：基于C-W方程描述卫星轨道面内运动，假设目标卫星（TS）为圆形轨道。
- 姿态动力学：刚性卫星用旋转矩阵建模；柔性卫星考虑模态振动耦合（刚度矩阵(K{ni})、阻尼矩阵(C{ni})）。
- 控制器设计：
- 平移控制：预组装阶段融合PD控制与碰撞避免力（公式13）；
- 姿态控制：基于误差四元数和角速度误差的PD控制器（公式22-23），通过Lyapunov分析证明“几乎全局渐近稳定”。
4. 数值仿真与实验验证
- 仿真参数：轨道角速度ω=7.2722×10⁻⁵ rad/s，初始姿态为单位矩阵。
- 硬件实验：基于三自由度气浮平台（SOOHLS系统）验证控制算法，模拟微重力环境下组装与重构。实验显示：
- 组装任务在4400秒内完成，姿态误差收敛至0.001 rad以内；
- 重构任务中，柔性卫星模态振荡峰值从0.1降至0.0005（通过耦合控制抑制）。
主要结果与逻辑关联
- 组装性能：
- 分阶段策略显著降低计算复杂度（如第一阶段仅需25组并行控制）；
- 碰撞避免控制器有效防止了同一组内卫星碰撞（仿真中未出现d<δ的情况）。
- 重构效率：
- 线形构型的重组耗时较传统机械臂操作缩短30%（仿真数据）；
- 单元重构阶段，卫星分离-重组动作耗时约1000秒，证明ARVD（自主交会对接）的可行性。
- 柔性控制效果：柔性卫星的模态振动通过耦合控制抑制，最终振幅为初始值的5%（图19,25）。
结果支持了“分形几何+异构集群”策略的优越性：自相似性简化了多尺度控制问题，异构设计提升了任务适应性。
研究结论与价值
- 科学价值：
- 首次将Vicsek分形理论应用于超大型空间结构设计，证明了自相似构型在轨组装的可行性；
- 提出基于卫星群分散-重组的重构范式，为空间结构动态适应任务需求提供新思路。
- 应用价值：
- 可扩展至其他分形构型（如Koch曲线、Menger海绵），支持不同任务（通信阵列、太阳能收集）；
- 实验验证的控制器可直接用于未来在轨任务（如中国空间站扩展舱组装）。
研究亮点
- 方法创新：
- 融合分形几何与异构卫星群控制，提出“分组-分阶段”组装流程；
- 设计混合控制器（PD+碰撞避免+柔性耦合），覆盖全任务周期。
- 技术突破：
- 实现127颗卫星的协同仿真，规模远超同类研究（如Foust等仅验证20颗卫星）；
- 气浮平台实验首次验证了ARVD在重构任务中的实用性。
- 前瞻性：指出分形维度（如1.46497的Vicsek分形）与空间结构功能（如通信增益、热管理）的关联，为后续研究提供方向。
其他价值内容
- 开源潜力：动力学模型与控制器代码可复用于其他空间集群任务；
- 跨学科意义：分形理论在航天工程的应用拓展了数学-工程交叉边界。
（注：全文仿真与实验数据均通过MATLAB/Simulink处理，代码未公开但方法论描述详尽。）