[發明專利]一種保證通信且避免碰撞的航天器編隊協同控制方法

有效

• 申請號: 201910158643.1
• 申請日: 2019-03-04
• 公開（公告）號: CN109765921B
• 公開（公告）日: 2021-03-19
• 發明（設計）人: 胡慶雷;石永霞;董宏洋;郭雷
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種保證通信且避免碰撞的航天器編隊協同控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)考慮存在外部干擾情況下，建立航天器編隊飛行系統相對位置動力學模型；具體過程為：

考慮存在外部干擾情況下，假設航天器編隊飛行系統包括n個航天器，以地心為原點，建立地心慣性坐標系O-XYZ；設定虛擬航天器，假設虛擬航天器運行在真近點角為θ，半長軸為a_c，離心率為e_c的橢圓軌道；以虛擬航天器作為參考航天器，建立LVLH坐標系o-xyz；參考航天器相對于地心的位置為R_c＝[R_c，0，0]^T，上標T表示矩陣轉置，表示參考航天器與地心在x軸方向上的距離；以LVLH坐標系為參考坐標系，建立航天器編隊飛行系統相對位置動力學模型為：

其中，ρ_i＝[ρ_ix，ρ_iy，ρ_iz]^T表示第i個航天器相對于參考航天器的位置，ρ_ix，ρ_iy，ρ_iz分別為第i個航天器相對于參考航天器在x軸，y軸，z軸上的距離；v_i＝[v_ix，v_iy，v_iz]^T表示第i個航天器相對于參考航天器的速度，其中，v_ix，v_iy，v_iz分別為第i個航天器相對于參考航天器在x軸，y軸，z軸上的速度；m_i表示第i個航天器的質量；u_i表示第i個航天器的控制信號；d_i表示第i個航天器受到的外部干擾力；表示第i個航天器的科氏力和離心力矩陣，其中，

其中，反映參考航天器的平均運動；μ表示地心引力常數；表示第i個航天器的時變非線性項，如下：

其中，為參考航天器真近點角θ的二階導數；表示第i個航天器相對于地心的距離；

(2)基于有向圖論，對航天器編隊飛行系統通信情況進行描述；具體過程為：

假設編隊飛行系統中所有航天器之間進行無線通信；通信情況描述為帶權重的有向強聯通圖G＝{V，E，A}，其中，V＝{v₁，...v_i，...，v_j，...，v_n}表示由n個航天器組成的節點集合，其中，v₁，...v_i，...，v_j，...，v_n分別表示1到n個航天器節點；表示編隊航天器之間的通信路徑集合；如果(v_i，v_j)∈E表示航天器j與航天器i之間能建立通信，航天器j能夠獲得航天器i的信息，則鄰接矩陣中元素a_ij＞0；如果表示航天器j不能獲得航天器i的信息，則鄰接矩陣中元素a_ij＝0，其中，v_i和v_j分別表示第i個航天器節點和第j個航天器節點；同時，考慮航天器自身不進行無線通信，鄰接矩陣中元素a_ij＝0；有向強聯通圖G的拉普拉斯矩陣為L＝[l_ij]∈R^n×n，其中，l_ij＝∑_j≠ia_ij，i＝j；l_ij＝-a_ij，i≠j；

(3)定義標量勢函數，對保證航天器有效通信和避免碰撞的安全可靠區域進行限制；

考慮通信距離受限和安全距離限制，定義航天器i與航天器j之間的標量勢函數為：

其中，ρ_a表示航天器之間確保有效通信的最大允許距離；ρ_c表示航天器之間避免碰撞的最小允許距離；ρ_d表示航天器之間避免碰撞的警戒距離，航天器i與航天器j之間的標量勢函數V_ij關于ρ_i的梯度為：

其中，δ₁＝||ρ_i-ρ_j||⁴-2||ρ_i-ρ_j||²+ρ_a²ρ_c²+ρ_d²ρ_a²-ρ_d²ρ_c²；ρ_j表示第j個航天器相對于參考航天器的位置；

(4)基于步驟(1)建立的航天器編隊飛行系統相對位置動力學模型、步驟(2)中航天器編隊飛行系統通信情況以及步驟(3)中定義的標量勢函數，設計自適應協同控制器，使航天器編隊的最終速度趨于一致；

設計自適應協同控制器為：

自適應律：

其中，α_i＞0為控制增益；n為航天器編隊飛行系統中航天器的數量；A＝[a_ij]∈R^n×n表示第i個航天器和第j個航天器之間鄰接矩陣；v_i和v_j分別表示第i個航天器和第j個航天器相對于參考航天器的速度；ε＞0為用于補償干擾的正常數，滿足ε≥||d_i||_∞；η_i＞0，β＞0為正的可調節常數；為第i個航天器質量的估計值；