CN102541070A - 一种卫星编队飞行地面试验系统的碰撞规避方法 - Google Patents

Abstract

一种卫星编队飞行地面试验系统的碰撞规避方法，涉及一种卫星编队飞行地面试验的碰撞规避方法。它解决了在卫星编队飞行中，由于各模拟卫星分别按照各自动力学运行，模拟卫星间因轨迹有交叉难免发生碰撞的问题。本发明包括具体步骤为：步骤一、选择运行模式；步骤二、设置碰撞危险系数阈值P₀；步骤三、正常运行模式；每个控制周期计算碰撞危险系数Pi；检测碰撞危险系数Pi；步骤四、判断Pi＞P₀；步骤五、进入碰撞规避模式：根据人工势场法，得到第i个模拟卫星的控制力Fi，并采用所述控制力Fi控制第i个模拟卫星，实现碰撞规避；检测碰撞危险系数Pi；返回步骤三。本发明适用于卫星编队地面试验系统领域。

Description

一种卫星编队飞行地面试验系统的碰撞规避方法

技术领域

本发明涉及一种卫星编队飞行地面试验的碰撞规避方法。

背景技术

由于编队飞行卫星具有研制周期短、费用低、适应性强等特点，针对编队卫星的研究近年来已经成为国内外研究热点。编队飞行卫星在轨运行时，可以根据任务需求对构型进行重构，而在机动过程中则必须考虑碰撞规避问题。

在卫星研制过程中，系统层面的全物理仿真是很有必要的，能够有效地验证理论算法，并且能够更加真实的模拟卫星的运动状态。在全物理仿真中，采用一个光滑表面的平台作为仿真平台，三自由度气浮转台为模拟卫星，光纤陀螺、加速度计等作为星载姿态测量敏感器，CCD相机、室内定位系统作为模拟卫星轨道测量系统，蓝牙、局域网等作为星间及星地信息交互系统。对编队飞行构型保持、队形重构及自主安全运行管理等功能进行试验验证。

公开号为CN101503116的《一种分布式航天器地面仿真系统及其实现方法》虽然解决了卫星编队飞行地面全物理仿真的问题，但在模拟卫星编队飞行中，由于各模拟卫星分别按照各自动力学运行，模拟卫星间因轨迹有交叉难免发生碰撞。

发明内容

本发明的目的是为了解决在卫星编队飞行中，由于各模拟卫星分别按照各自动力学运行，模拟卫星间因轨迹有交叉难免发生碰撞的问题，提供一种卫星编队飞行地面试验系统的碰撞规避方法。

一种卫星编队飞行地面试验系统的碰撞规避方法，它包括具体步骤如下：

步骤一、选择运行模式；系统共有模拟卫星个数为N，N为正整数；

步骤二、设置碰撞危险系数阈值P₀；碰撞危险系数阈值P₀为预设定常值；

步骤三、正常运行模式；在正常运行模式下，每个控制周期计算碰撞危险系数Pi，碰撞危险系数Pi为第i个模拟卫星与第j个模拟卫星间在无碰撞控制时的最短距离：

$P_i=\underset{j\≠i}{\min }\left|\right|X_i-X_j\left|\right|$

其中X_i＝[x_i y_i]^T为第i个模拟卫星的工作空间，1＜i≤N，X_j＝[x_j y_j]^T为第j个模拟卫星的工作空间，1＜j≤N；

检测碰撞危险系数Pi；

步骤四、判断Pi＞P₀：是，执行步骤五；否，返回步骤三，再次计算最短距离；

步骤五、进入碰撞规避模式：各模拟星根据系统当前测量信息，根据人工势场法原理，计算得到第i个模拟卫星的控制力Fi，并采用所述控制力Fi控制第i个模拟卫星，实现碰撞规避；检测碰撞危险系数Pi；返回步骤三。

本发明基于现有的卫星编队飞行地面全物理试验系统，实现了卫星按照预定模式运行及编队重构时防止各模拟卫星之间的碰撞。首先模拟卫星系统进入正常运行模式，并根据运行模式选择碰撞规避策略，设定碰撞危险系数阈值，在正常运行模式下，每个控制周期计算碰撞危险系数Pi；当模拟卫星碰撞危险系数小于阈值时，正常运行系统程序，当碰撞危险系数大于阈值时，系统暂时中断运行模式，切换到碰撞规避模式；根据系统所测得信息，利用人工势场法原理，计算模拟卫星控制力，进行碰撞规避控制，并且对碰撞危险系数进行检测；当系数再次小于阈值时，系统终止碰撞规避模式，切换回正常模式继续运行。实现了避免各模拟卫星发生碰撞的安全运行。

附图说明

图1为碰撞规避方法的流程框图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种卫星编队飞行地面试验系统的碰撞规避方法包括具体步骤如下：

步骤一、选择运行模式；系统共有模拟卫星个数为N，N为正整数；

步骤二、设置碰撞危险系数阈值P₀；碰撞危险系数阈值P₀为预设定常值；

步骤三、正常运行模式；在正常运行模式下，每个控制周期计算碰撞危险系数Pi，碰撞危险系数Pi为第i个模拟卫星与第j个模拟卫星间在无碰撞控制时的最短距离：

$P_i=\underset{j\≠i}{\min }\left|\right|X_i-X_j\left|\right|$

其中X_i＝[x_i y_i]^T为第i个模拟卫星的工作空间，1＜i≤N，X_j＝[x_j y_j]^T为第j个模拟卫星的工作空间，1＜j≤N；

检测碰撞危险系数Pi；

步骤四、判断Pi＞P₀：是，执行步骤五；否，返回步骤三，再次计算最短距离；

步骤五、进入碰撞规避模式：各模拟星根据系统当前测量信息，根据人工势场法原理，计算得到第i个模拟卫星的控制力Fi，并采用所述控制力Fi控制第i个模拟卫星，实现碰撞规避；检测碰撞危险系数Pi；返回步骤三。

具体实施方式二：本实施方式是对实施方式一所述一种卫星编队飞行地面试验系统的碰撞规避方法的进一步限定，步骤五所述利用人工势场法原理，计算得到对第i个模拟卫星的控制力Fi具体为：

第i个模拟卫星的工作空间为X_i＝[x_i y_i]^T，空间中每一点的势场值为：

U(X_i)＝U_G(X_i，X_Gi)+U_O(X_i，X_j)，其中U_G(X_i)和U_O(X_i，X_j)分别为相对于目标的引力场和模拟卫星间的斥力场；

模拟卫星i的目标引力场为：

$U_G\left(X_i\right)=\frac{1}{2}{k}_p\left|\right|X_i-X_{\mathrm{Gi}}\left|\right|,$

其中kp为引力正比例系数，X_Gi为模拟卫星i的目标工作空间，模拟卫星i与其他模拟卫星间的斥力场为：

其中

为第i个模拟卫星与其他任意一个模拟卫星之间的斥力场，

其中 ${\mathrm{\φ}}_A^{\mathrm{ij}}(X_i,X_j)=\left(\begin{array}{cc}\frac{1}{2}\mathrm{\η}{(\frac{1}{\left|\right|X_i-X_j\left|\right|}-\frac{1}{P_0})}^2& \mathrm{Pi}\≤P_0\\ 0& \mathrm{Pi}>P_0\end{array}\right.,$

式中η为相对位置增益，0≤η≤1；

根据势函数的定义可知，模拟卫星i的控制力为：

$F_i=-\▿(U_G\left(X_i\right)+U_O(X_i,X_j)).$

具体实施方式三：本实施方式是具体实施方式一的一个具体实施例，本实施例中，数据的测量方式为：通过室内定位系统测量得到模拟卫星轨道和姿态信息，光纤陀螺作为模拟卫星姿态角速度敏感器用于测量角速度；采用蓝牙实现模拟卫星间信息交互，采用无线局域网实现星地信息交互；结合实际背景来具体描述一下所发明的碰撞规避方法在试验系统中的应用过程：

步骤一、选择运行模式；系统共有2个模拟卫星，依据所选任务，选择卫星编队飞行地面试验系统进入正常运行模式；

在队形重构过程中，模拟卫星1与模拟卫星2分别由初始点轨道转移到目标点，期间两星轨迹有交叉；

步骤二、设置碰撞危险系数阈值P₀；碰撞危险系数阈值P₀为预设定常值，其大小选取由数学仿真结果决定；P₀的选取考虑转动惯量，推力器推力，测量精度，测量时延等因素；

步骤三、正常运行模式；在正常运行模式下，每个控制周期计算模拟卫星1与模拟卫星2的碰撞危险系数P₁和P₂，碰撞危险系数P₁为模拟卫星1与模拟卫星2间在无碰撞控制时的最短距离，碰撞危险系数P₂为模拟卫星2与模拟卫星1间在无碰撞控制时的最短距离：

P₁＝P₂＝min||X₁-X₂||

其中X₁＝[x₁ y₁]^T为第1个模拟卫星的工作空间，X₂＝[x₂ y₂]^T为第2个模拟卫星的工作空间；

检测碰撞危险系数P₁和P₂；

步骤四、判断P₁或P₂是否大于P₀：是，执行步骤五；否，返回步骤三；

步骤五、进入碰撞规避模式：各模拟星根据系统当前测量信息，利用人工势场法原理，计算得到对模拟卫星1的控制力F₁以及模拟卫星2的控制力F₂，

则有模拟卫星1与模拟卫星2的的目标引力场分别为：

$U_G\left(X_1\right)=\frac{1}{2}{k}_p\left|\right|X_1-X_{G1}\left|\right|,U_G\left(X_2\right)=\frac{1}{2}{k}_p\left|\right|X_2-X_{G2}\left|\right|$

模拟卫星1与模拟卫星2间的斥力场为：

根据势函数的定义可知，模拟卫星1和模拟卫星2的控制力F₁，F₂分别为：

$F_1=-\▿(U_G\left(X_1\right)+U_O(X_1,X_2))$

$F_2=-\▿(U_G\left(X_2\right)+U_O(X_1,X_2)),$

得到对模拟卫星1的控制力F₁以及模拟卫星2的控制力F₂，所述控制力F₁、F₂分别作用于模拟卫星1、模拟卫星2，实现碰撞规避；返回步骤四。

Claims (2)

1.一种卫星编队飞行地面试验系统的碰撞规避方法，其特征是它包括具体步骤如下：

步骤一、选择运行模式；系统共有模拟卫星个数为N，N为正整数；

步骤二、设置碰撞危险系数阈值P₀；碰撞危险系数阈值P₀为预设定常值；

步骤三、正常运行模式；在正常运行模式下，每个控制周期计算碰撞危险系数Pi，碰撞危险系数Pi为第i个模拟卫星与第j个模拟卫星间在无碰撞控制时的最短距离：

$P_i=\underset{j\≠i}{\min }\left|\right|X_i-X_j\left|\right|$

其中X_i＝[x_i y_i]^T为第i个模拟卫星的工作空间，1＜i≤N，X_j＝[x_j y_j]^T为第j个模拟卫星的工作空间，1＜j≤N；

检测碰撞危险系数Pi；

步骤四、判断Pi＞P₀：是，执行步骤五；否，返回步骤三，再次计算最短距离；

步骤五、进入碰撞规避模式：各模拟星根据系统当前测量信息，根据人工势场法原理，计算得到第i个模拟卫星的控制力Fi，并采用所述控制力Fi控制第i个模拟卫星，实现碰撞规避；检测碰撞危险系数Pi；返回步骤三。

2.根据权利要求1所述一种卫星编队飞行地面试验系统的碰撞规避方法，其特征在于，步骤五所述的根据人工势场法原理，计算得到第i个模拟卫星的控制力Fi的具体过程为：

第i个模拟卫星的工作空间中每一点的势场值为：

U(X_i)＝U_G(X_i，X_Gi)+U_O(X_i，X_j)，

其中U_G(X_i)为相对于目标的引力场；U_O(X_i，X_j)为模拟卫星间的斥力场；

第i个模拟卫星的目标引力场为：

$U_G\left(X_i\right)=\frac{1}{2}{k}_p\left|\right|X_i-X_{\mathrm{Gi}}\left|\right|,$

其中k_p为引力正比例系数，X_Gi为第i个模拟卫星的目标工作空间，第i个模拟卫星与其他模拟卫星间的斥力场为：

其中

为第i个模拟卫星与其他任意一个模拟卫星之间的斥力场，

其中 ${\mathrm{\φ}}_A^{\mathrm{ij}}(X_i,X_j)=\left(\begin{array}{cc}\frac{1}{2}\mathrm{\η}{(\frac{1}{\left|\right|X_i-X_j\left|\right|}-\frac{1}{P_0})}^2& \mathrm{Pi}\≤P_0\\ 0& \mathrm{Pi}>P_0\end{array}\right.,$

式中η为相对位置增益，0≤η≤1；

第i个模拟卫星的控制力Fi为：

$F_i=-\▿(U_G\left(X_i\right)+U_O(X_i,X_j)).$

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