CN109459041A - 一种微纳星群变迁规划与控制方法 - Google Patents

一种微纳星群变迁规划与控制方法 Download PDF

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Abstract

一种微纳星群变迁规划与控制方法，其目的在于解决星群中单颗卫星故障、插入新卫星、面向任务需求的构型变换等情况下的星群重构问题。微纳星群变迁过程分为三步，第一步为对空间坐标系进行定义，第二步针对星群构型分散聚集漂移任务，设计基于相对轨道要素的构型漂移最优策略，第三步为针对微纳星群一致性控制任务，设计基于势函数避免碰撞的星群自适应协同控制方案。与现有技术相比，本发明方法针对构型漂移问题可以实现漂移过程燃料消耗最低、各星燃料消耗最为均匀，针对星群重构问题可以实现星群的一致性运动、更快响应近距离紧急避撞需求。

Description

一种微纳星群变迁规划与控制方法
技术领域
本发明涉及航天器轨道控制技术，具体地说是一种微纳星群变迁规划与控制方法。
背景技术
星群编队飞行是极具开拓性的新兴航天技术领域，由于星群飞行具有很大的应用潜力和优势，国外越来越多的空间任务采用星群飞行技术来实现。各卫星间保持联系，共同承担信号处理、通信、有效载荷等任务，任务功能由整个星群共同完成。
微小卫星以其快速灵活适应任务的能力、低成本快速进入空间的特点，日渐成为各种航天装备和空间应用系统的重要组成部分，成为大型卫星的必要补充。微小卫星的轻重量、低成本、研制周期短等技术特点正是采用星群系统的物质基础和必需条件。因此，微纳星群具有极大优势和广泛的应用前景。
基于微小卫星集群构建的分布式可重构遥感网络，具有任意地点快速重访、系统成本有效可控、网络组成任意重构、协同观测方式灵活等优势，是满足时效性、经济性、灵活性三方面需求的有效途径。分布式遥感系统要想实现微纳星群的集群化、网络化、协同化应用，需要解决一系列有待攻关的挑战性问题。
遥感任务的多样性要求星群具备多种模式下网络协同观测能力，不同模式间的切换要求集群卫星具备构型变迁重构的能力，如何实现多约束条件下的星群安全变迁规划与控制是关键的问题。由于星群变迁过程中，星群成员之间可能会发生碰撞、通讯链路可能会受到遮挡等影响，本发明提出的方法可以有效解决在考虑实际通信链路变化及安全避撞下的构型变迁规划控制问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种微纳星群变迁规划与控制方法，面向不同条件下的星群构型变迁任务约束与目标，可以在控制代价最小情况下完成分散或聚集漂移，可以安全、快速的完成星群任意构型的变迁。
本发明的技术解决方案是：一种微纳星群变迁规划与控制方法，包括如下步骤：
(1)对地心惯性坐标系、航天器本体坐标系、航天器轨道坐标系进行定义；
(2)针对星群构型分散聚集漂移任务，设计基于相对轨道要素的构型漂移最优策略；
(3)针对微纳星群一致性控制任务，设计基于势函数避免碰撞的星群自适应协同控制方案。
所述步骤(2)中，建立基于相对轨道根数的相对运动模型，得出每个周期轨道漂移量和轨道要素之间的关系，设定一颗虚拟目标星，以该星的位置为基准，各星分别完成预期距离的分散过程，将燃料消耗作为控制代价，并考虑燃料消耗分配的均匀性，对虚拟目标星位置点进行优化选取。
所述步骤(3)中，引入指数型势函数设计避免碰撞的队形协同控制律，在该控制率作用下，被控对象的位置和速度均收敛于期望的目标，同时可以更快响应近距离紧急避撞的要求。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明方法针对构型漂移问题可以实现漂移过程燃料消耗最低、各星燃料消耗最为均匀，针对星群重构问题可以实现星群的一致性运动、更快响应近距离紧急避撞需求。
附图说明
图1为本发明实施例的空间坐标系示意图。
具体实施方式
本发明一种微纳星群变迁规划与控制方法，可以解决星群重构问题。微纳星群变迁过程分为三步，第一步为对空间坐标系进行定义，第二步针对星群构型分散聚集漂移任务，设计基于相对轨道要素的构型漂移最优策略，第三步为针对微纳星群一致性控制任务，设计基于势函数避免碰撞的星群自适应协同控制方案。本发明方法主要包括如下步骤：
一、对地心惯性坐标系、航天器本体坐标系、航天器轨道坐标系进行定义。
如图1所示，是空间坐标系示意图。
1)地心惯性坐标系OIXIYIZI；
原点OI为地心。OIXI轴沿地球赤道平面和黄道平面的交线指向春分点；OIZI轴沿地球自转轴方向，向上为正，指向北极；OIYI轴与OIXI轴和OIZI轴构成右手直角坐标系。
2)航天器本体坐标系obxbybzb
航天器本体坐标系与航天器固连，其原点位于航天器质心。ObXb轴指向航天器飞行方向；ObZb轴指向地心方；ObYb轴与另两轴构成右手直角坐标系。
3)参考航天器轨道坐标系ocxcyczc
原点oc位于参考航天器轨道上。xc轴沿地心到参考卫星的矢径方向；yc轴在参考卫星轨道平面上，与xc轴垂直，且沿参考卫星运动方向；zc轴与xc轴和yc轴构成右手直角坐标系。
二、针对星群构型分散聚集漂移任务，设计基于相对轨道要素的构型漂移最优策略。
构型漂移最优策略包括以下步骤：
1)基于相对轨道要素的相对运动模型；
定义两星的经典轨道要素：半长轴a，偏心率e，轨道倾角i，升交点赤经Ω，近地点幅角ω，真近点角θ，纬度幅角u(u＝ω+θ)，平近点角M。[x y z]是两星在目标星的轨道坐标系下的相对位置。主动星相对于目标星的相对轨道要素为：Δa＝aC－aT，Δe＝eC－eT，Δi＝iC－iT，ΔΩ＝ΩC－ΩT，Δω＝ωC－ωT，Δθ＝θC－θT，Δu＝uC－uT，ΔM＝MC－MT。
上式为采用相对轨道要素法描述的相对运动方程的解。
对于近圆轨道，可以将真近点角和地心距进行级数展开，并保留一阶小量。假设ΔM＝MA－MT为小量，当两星轨道的半长轴存在偏差Δa(ΔT＝TC－TT)，且偏差为小量时
上式中在x方向有长期漂移项2πaCΔTt/(TTTC)，则在一个轨道周期TT内的漂移量为
基于相对轨道要素的相对运动模型建立的结论可知，两个航天器之间存在相对漂移从本质上看是两者的轨道半长轴a不同，根据相对运动与轨道要素差的关系，当追踪航天器半长轴比目标航天器半长轴大时，追踪航天器相对目标航天器的运动将向后漂移，且每个周期的漂移量是半长轴之差的3π倍。
2)构型漂移分散策略。
从一种观测模式转换到另一种观测模式的过程中要设定一颗虚拟目标星，以该星的位置为基础，各星分别完成预期距离的分散过程。分散过程的控制代价是燃料消耗，控制代价与虚拟目标位置的选取有关，为满足燃料消耗最少原则，需要对该位置点进行优化选取。该优化问题可以归结为
s.t. 0≤Xxpos≤Llongth
式中，Xxpos是虚拟目标位置，Llongth是整个构型的沿迹向长度，ΔV是总燃料消耗。
假设虚拟目标在观测模式1中的位置为Xxpos1，虚拟目标在观测模式2中的位置为Xxpos2。燃料消耗总和求解如下
式中：xi1表示第i颗卫星在观测模式1中的位置，xi2表示第i颗卫星在观测模式2中的位置，n表示星群中卫星总数。
此外，考虑每颗卫星燃料消耗分配的均匀性，这里用燃料消耗的标准差来衡量，在选择使燃料消耗最少的虚拟目标星位置区间基础上，最终选择卫星燃料消耗最为均匀的点作为虚拟目标星位置。
三、针对微纳星群一致性控制任务，设计基于势函数避免碰撞的星群自适应协同控制方案。
第i颗编队卫星相对于参考卫星的轨道运动方程为
其中，
式中，mi为第i颗编队卫星的质量，di为编队卫星所受到的外部摄动力，fi为作用于编队卫星i的主动控制力，rc和ri分别为地心到参考卫星和卫星i的距离，μe为地球引力常数，ρi为相对位置矢量，vi为相对速度矢量，θc为参考卫星的真近点角。
对于编队卫星系统，设计如下的自适应协同控制器
其中是与自适应参数mi无关的量，是对参数mi的估计。表示Vij沿向量ρi的梯度，具体物理含义为施加在被控对象上躲避障碍物区域的控制力。cij为速度通信图的加权邻接矩阵的元素。Vij(||ρi-ρj||)为卫星避免碰撞势函数，Vij为连续可微的非负函数，且控制器第一项是实现一致性运动的控制量，第二项是实现避撞的控制量。应用Lyapunov稳定性理论可以证明，在该控制律作用下，被控对象的位置和速度均收敛于期望的目标，同时满足避免碰撞的限制。
避免碰撞势函数设计如下形式
其中和λi分别是斥力势的高和宽，两个可调节参数。
采用势函数设计避免碰撞的队形协同控制，定义一个指数型标量势函数，此势函数反映了系统的约束条件，该指数型势函数可以更快响应近距离紧急避撞的要求。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种微纳星群变迁规划与控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对地心惯性坐标系、航天器本体坐标系、航天器轨道坐标系进行定义；
(2)针对星群构型分散聚集漂移任务，设计基于相对轨道要素的构型漂移最优策略；
(3)针对微纳星群一致性控制任务，设计基于势函数避免碰撞的星群自适应协同控制方案。
2.根据权利要求1所述的一种微纳星群变迁规划与控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中，建立基于相对轨道根数的相对运动模型，得出每个周期轨道漂移量和轨道要素之间的关系，设定一颗虚拟目标星，以该星的位置为基准，各星分别完成预期距离的分散过程，将燃料消耗作为控制代价，并考虑燃料消耗分配的均匀性，对虚拟目标星位置点进行优化选取。
3.根据权利要求1所述的一种微纳星群变迁规划与控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中，引入指数型势函数设计避免碰撞的队形协同控制律，在该控制律作用下，被控对象的位置和速度均收敛于期望的目标，同时可以更快响应近距离紧急避撞的要求。
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