[發(fā)明專利]一種航天器編隊軌跡跟蹤分布式控制方法及相關(guān)設(shè)備

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• 申請日: 2023-02-16
• 公開（公告）號: CN116257084A
• 公開（公告）日: 2023-06-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳琪鋒;劉俊;廖宇新;戴明哲;魏才盛;金華
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 長沙軒榮專利代理有限公司 43235
• 代理人: 王丹

本發(fā)明提供了一種航天器編隊軌跡跟蹤分布式控制方法及相關(guān)設(shè)備，包括：構(gòu)建目標(biāo)航天器編隊每個航天器的相對運動PH方程；分別將每個航天器的相對運動PH方程進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到目標(biāo)航天器的相對運動軌跡跟蹤誤差PH方程作為目標(biāo)航天器編隊的跟蹤誤差系統(tǒng)；基于跟蹤誤差系統(tǒng)，構(gòu)造將目標(biāo)航天器編隊中各航天器的相對位置誤差耦合到跟蹤誤差系統(tǒng)的期望哈密頓函數(shù)；根據(jù)期望哈密頓函數(shù)設(shè)計目標(biāo)航天器編隊的控制律并計算得到目標(biāo)航天器編隊的分布式協(xié)同控制律的值；根據(jù)分布式協(xié)同控制律的值對目標(biāo)航天器編隊進(jìn)行軌跡跟蹤分布式控制；航天器編隊能夠準(zhǔn)確、快速地達(dá)到期望的運動軌跡并保持構(gòu)型，實現(xiàn)了航天器集群網(wǎng)絡(luò)化的分布式協(xié)同控制。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及航天器編隊軌跡跟蹤控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種航天器編隊軌跡跟蹤分布式控制方法及相關(guān)設(shè)備。

背景技術(shù)

航天器編隊是指由多個航天器根據(jù)指定任務(wù)需求按一定拓?fù)滏溄咏M成的航天器集群，通過編隊內(nèi)各成員航天器相互合作，從而實現(xiàn)一顆大“虛擬航天器”的功能。編隊航天器在軌飛行時，為了實現(xiàn)不同的任務(wù)，需要對編隊運行軌跡進(jìn)行跟蹤控制，從而達(dá)到預(yù)定構(gòu)型。目前已有多種控制方法應(yīng)用到航天器編隊控制，如非線性自適應(yīng)控制、滑模方法、線性二次調(diào)節(jié)、IDA-PBC(Interconnection?and?Damping?Assignment?Passivity-BasedControl，基于圖論和互聯(lián)阻尼分配的無源控制)、脈沖控制、模型預(yù)測控制和快速搜索隨機(jī)樹等方法，編隊協(xié)同方法主要有領(lǐng)導(dǎo)跟隨法，虛擬結(jié)構(gòu)法和蜂擁控制等方法。

近年來，采用能量思想的Port-Hamiltonian(PH，端口哈密頓)系統(tǒng)理論逐步興起并快速發(fā)展，為復(fù)雜非線性系統(tǒng)建模與控制提供了有潛力的求解方案。另外PH理論從能量的角度出發(fā)對系統(tǒng)實現(xiàn)控制，解決了李亞普洛夫函數(shù)的選取問題，用其建立的模型更加符合工程實際應(yīng)用。在航天器編隊控制領(lǐng)域，端口哈密頓系統(tǒng)方法得到了初步研究。ChangLiu等將圓形限制性三體問題為為端口哈密頓系統(tǒng)形式，基于能量整形和阻尼注入設(shè)計了控制策略，保證了漸近穩(wěn)定性，并且能夠任意設(shè)置平衡點。Ewoud?Vos等建立了端口哈密頓系統(tǒng)為的赤道平面二維二體軌道動力學(xué)模型，利用廣義正則變換方法獲得相對目標(biāo)軌道的誤差系統(tǒng)PH模型，然后設(shè)計了基于虛擬彈簧阻尼的內(nèi)部控制律，將每個衛(wèi)星引導(dǎo)到目標(biāo)軌道，以及基于虛擬彈簧阻尼交互的分布式相對運動控制律，使多個衛(wèi)星在軌道上均勻分布。該文是多衛(wèi)星端口哈密頓系統(tǒng)協(xié)同控制的首次嘗試，針對的是特殊星座位置保持控制問題；但由于航天器編隊軌跡跟蹤是時變的，而時變端口哈密頓系統(tǒng)一般不滿足無源性。

IDA-PBC是一種針對非線性系統(tǒng)的控制律設(shè)計方法，自從Ortega.R等在2001年提出該方法以來，已經(jīng)應(yīng)用到非常多的領(lǐng)域，在航天器控制方面也初步得到了應(yīng)用。如NajmehJavanmardi等應(yīng)用IDA-PBC控制方法以及壓縮分析設(shè)計了跟蹤控制律。但是該文的方法僅是基于領(lǐng)導(dǎo)/追隨者的一對一跟蹤，跟蹤控制中缺乏相互協(xié)調(diào)和反饋機(jī)制，如何實現(xiàn)集群網(wǎng)絡(luò)化的分布式協(xié)同控制，該研究并未提供解決思路。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種航天器編隊軌跡跟蹤分布式控制方法及相關(guān)設(shè)備，其目的是為了實現(xiàn)航天器集群網(wǎng)絡(luò)化的分布式協(xié)同控制，并減小各航天器間的相對距離誤差。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種航天器編隊軌跡跟蹤分布式控制方法，包括：

步驟1，構(gòu)建目標(biāo)航天器編隊中每個航天器的相對運動PH方程；相對運動PH方程用于描述每個航天器的相對運動軌跡；

步驟2，分別將每個航天器的相對運動PH方程進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到目標(biāo)航天器編隊的相對運動軌跡跟蹤誤差PH方程，相對運動軌跡跟蹤誤差PH方程作為所述目標(biāo)航天器編隊的跟蹤誤差系統(tǒng)；相對運動軌跡跟蹤誤差PH方程用于描述相對運動軌跡的跟蹤誤差；

步驟3，基于跟蹤誤差系統(tǒng)，構(gòu)造將目標(biāo)航天器編隊中各航天器的相對位置誤差耦合到跟蹤誤差系統(tǒng)的期望哈密頓函數(shù)；