[發明專利]一種航天器編隊飛行低通訊連通保持協同控制方法

有效

• 申請號: 202010894141.8
• 申請日: 2020-08-31
• 公開（公告）號: CN112099525B
• 公開（公告）日: 2021-10-15
• 發明（設計）人: 胡慶雷;石永霞;鄭建英;郭雷
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種航天器編隊飛行低通訊連通保持協同控制方法，首先基于地心慣性坐標系和當地水平當地垂直坐標系，建立編隊飛行過程航天器位置動力學模型；然后基于有向圖理論，描述航天器之間的通信情況；接著定義統一標量勢函數，對航天器之間的期待構型和通信范圍進行限制；最后基于事件觸發策略，設計基于事件驅動的通信機制，構建低通訊連通保持協同控制器，使編隊航天器最終以一致的速度保持期待的構型運行。上述方法利用統一的標量勢函數，設計連通保持協同控制器，可以保證航天器編隊飛行系統在可靠通信區域內保持期待構型運行；并且，基于事件觸發策略，設計事件驅動通信機制，可以避免通信資源浪費，實現低通訊連通保持協同控制。

技術領域

本發明涉及航天器控制技術領域，尤其涉及一種航天器編隊飛行低通訊連通保持協同控制方法。

背景技術

隨著微電子技術和通信技術的蓬勃發展，航天器編隊飛行技術日趨成熟。與傳統大型單航天器任務相比，多航天器組網構成的編隊飛行系統在任務性能以及任務成本等方面都展現出顯著的優勢，在新型在軌航天任務中具有強大的優勢和潛在的應用價值。

由于編隊飛行系統是由多個距離較近、物理上不相連的航天器構成，各航天器需要通過相互之間的通信鏈路對星上信號進行傳輸共享，協同完成編隊任務，因此，編隊航天器之間進行可靠有效通信是完成編隊任務的基礎。并且，為確保信息傳遞的準確性和任務完成的高效性，每個編隊航天器都存在最大有效通信范圍約束，因此，確保航天器之間的通信鏈路始終保持連通是實現協同任務的關鍵所在。此外，由于成本與技術等多方面限制，編隊航天器在自身質量和體積上有著嚴格要求，星上的有效載荷受到嚴格限制，這使得編隊航天器的通信資源存在嚴重約束。因此，如何確保編隊任務高效完成的同時，減少通信資源消耗尤為重要。綜上所述，在存在通信范圍限制和通信資源約束的情況下，保證編隊航天器能夠以低通信量始終運行在有效通信范圍內，且始終保持期待的編隊構型運行，是航天器編隊飛行位置協同控制的重要任務。

針對星載通信設備能力有限，星間通信帶寬不足等問題，中國優秀碩士學位論文數據庫《星間通信受限航天器姿態協同控制方法研究》基于無向通信拓撲建立了多星姿態協同控制模型，并在通信環節引入了事件驅動算法，解決了星間通信受限下的多航天器的姿態協同控制問題，但其中并沒有考慮星間通信距離有限情況，在任務過程中，并不能保證航天器始終運行在有效通信范圍之內；航空學報《考慮避障的航天器編隊軌道控制律設計》采用軌道坐標系，描述了存在干擾及故障情況下的編隊飛行過程航天器相對軌道動力學模型，然后基于人工勢函數制導與滑模控制技術，提出了一種新穎的自適應軌道控制方法，解決了航天器編隊飛行過程中的故障容錯、障礙規避以及碰撞避免等重要的飛行安全問題，但并未考慮航天器星載資源有限及星間通信范圍受限等問題。因此，設計低通訊連通保持協同控制器，使得編隊航天器在減少通信量的同時始終位于有效通信范圍內，并且保持期待構型運行，是確保航天器編隊飛行任務低成本、高可靠完成的核心問題。

發明內容

有鑒于此，本發明針對航天器編隊飛行系統存在的通信資源有限、星間通訊距離受限等問題，提供了一種航天器編隊飛行低通訊連通保持協同控制方法，這是一種能夠使航天器編隊飛行系統在可靠區域內保持期待構型運行的控制方法，可以解決航天器編隊飛行系統在協同控制過程通信資源有限和通信距離受限情況下的位置協同控制問題，使航天器編隊飛行系統以期待構型高效可靠地完成編隊任務。

本發明提供的一種航天器編隊飛行低通訊連通保持協同控制方法，包括如下步驟：

S1：基于地心慣性坐標系和當地水平當地垂直坐標系，建立編隊飛行過程中編隊航天器位置動力學模型；

S2：基于有向圖理論，描述編隊飛行過程中編隊航天器之間的通信情況；

S3：定義統一標量勢函數，對編隊航天器之間的期待構型和通信范圍進行約束；