基于虚拟弹簧阻尼网络的卫星编队构形分布式控制方法技术

本发明专利技术介绍了一种基于虚拟弹簧阻尼网络的卫星编队构形分布式控制方法，包括下述步骤：(1)指定期望构形；(2)指定虚拟弹簧阻尼网络连接拓扑结构；(3)选定虚拟弹簧阻尼器系数；(4)各卫星通过相对运动测量和通信感知相对运动状态测量；(5)各卫星分别计算自身的控制加速度；(6)各卫星分别实施控制加速度。本方法能实现卫星编队期望相对运动状态的自组织建立和高精度保持；对卫星数量的增加具有良好的适应性；能节省燃料消耗；能抗干扰；稳定性得到理论保证，构形控制精度要求可通过调整虚拟弹簧阻尼器的参数来满足。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术介绍了一种，包括下述步骤：(1)指定期望构形；(2)指定虚拟弹簧阻尼网络连接拓扑结构；(3)选定虚拟弹簧阻尼器系数；(4)各卫星通过相对运动测量和通信感知相对运动状态测量；(5)各卫星分别计算自身的控制加速度；(6)各卫星分别实施控制加速度。本方法能实现卫星编队期望相对运动状态的自组织建立和高精度保持；对卫星数量的增加具有良好的适应性；能节省燃料消耗；能抗干扰；稳定性得到理论保证，构形控制精度要求可通过调整虚拟弹簧阻尼器的参数来满足。【专利说明】
本专利技术属于航天器
，涉及一种卫星编队控制方法，尤其涉及一种。
技术介绍
卫星编队系利用多颗结构上互不相连的卫星近距离相伴飞行，通过群体协同工作来完成空间任务，与单颗卫星完成任务相比能够带来性能提升、可靠性增加、适应性增强等诸多优势，并能实现单颗卫星不可能完成的任务。而卫星编队任务往往要求卫星间保持精确的几何构形。随着微小卫星技术的快速发展，大规模卫星编队任务的需求越来越强烈，由于规模增大和感知、通信、计算能力的限制，集中控制的实施十分困难，因此，如何设计出有效的控制体系结构，已成为实现卫星编队构形分布式控制的核心问题。目前，已知的卫星编队构形分布式控制方法按体系结构分为四类，包括LF(英文全称为“Leader-Following”的缩写，中文译文为“领导-追随法”。)、Cyclic (中文译文为“循环式方法”。)、VS (英文全称为“Virtual Structure”的缩写，中文译文为“虚拟结构法”。)、Behavioral (中文译文为“行为式方法”。)。上述LF方法中，追随者卫星跟踪领导者卫星的位置和朝向，各卫星的控制器以层次化方式连接，其缺点是没有从追随者到领导者的显式反馈，一旦出现干扰极易发散；循环式方法中各卫星间呈非层次控制结构，具备反馈机制，但仅适用于环状拓扑结构，适用范围受到限制；VS方法中，编队被看作刚体结构，定义虚拟结构的期望运动并将其转化为卫星的期望运动，并导出卫星的跟踪控制，缺点是必须随整体运动而不显灵活；行为式方法中，为卫星预定义多种期望行为，控制每个行为对应的控制加权叠加，不足之处是难以开展理论分析并难以确保控制性能。总之，现有四类方法均欠缺对大规模卫星编队构形分布式控制任务的适应能力。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，针对已知技术的缺陷，提供一种。其分布式控制体系结构的控制性能应具备充分的理论保证。本专利技术的技术方案是，所提供的一种，是将编队中的卫星以虚拟的弹簧阻尼器连接起来形成网络，依据与卫星直接相连的所有虚拟弹簧阻尼器产生的合力对卫星施加控制，卫星只需感知网络中邻居卫星的相对运动状态，通过与邻居卫星之间的交互作用就能使卫星编队实现期望构形并保持期望构形。该卫星编队构形经Lyapunov(中文译文为“李雅普诺夫”。)稳定性分析，用上述进行引力场中卫星编队构形控制，卫星编队期望构形的稳定性可得到保证，该卫星编队的期望构形的控制精度亦可通过调整虚拟弹簧阻尼器的参数来满足。具体来说，该方法包括下述步骤:(I)、指定期望构形。依据委托卫星编队的构形要求，使用常规方法，指定委托卫星编队的期望相对运动规律，该规律包括指定委托卫星编队的期望相对位置和指定委托卫星编队的期望相对速度。设委托卫星编队所有卫星为η个，则第i(i = 2,3,…，η)个卫星相对于第I个卫星的期望相对位置为给出第i(i = 2,3,…，η)个卫星相对于第I个卫星的期望相对速度为A ?则期望相对位置向量【权利要求】1.一种，该方法包括下述步骤: (1)、指定期望构形，依据委托卫星编队的构形要求，使用常规方法，指定委托卫星编队的期望相对运动规律，该规律包括指定委托卫星编队的期望相对位置和指定委托卫星编队的期望相对速度，设委托卫星编队所有卫星为η个，则第i(i = 2,3,…，η)个卫星相对于第I个卫星的期望相对位置为给出第i(i = 2,3,…，η)个卫星相对于第I个卫星的期望相对速度为，则期望相对位置向量 【文档编号】G05B13/04GK103984238SQ201410245991【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年6月5日 优先权日:2014年6月5日 【专利技术者】陈琪锋, 王石, 王耀南, 张小刚 申请人:湖南大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于虚拟弹簧阻尼网络的卫星编队构形分布式控制方法，该方法包括下述步骤：(1)、指定期望构形，依据委托卫星编队的构形要求，使用常规方法，指定委托卫星编队的期望相对运动规律，该规律包括指定委托卫星编队的期望相对位置和指定委托卫星编队的期望相对速度，设委托卫星编队所有卫星为n个，则第i(i＝2，3，…，n)个卫星相对于第1个卫星的期望相对位置为给出第i(i＝2，3，…，n)个卫星相对于第1个卫星的期望相对速度为则期望相对位置向量和期望相对速度向量指定了卫星编队的期望构形，该二式中，Pd为期望相对位置向量，为期望相对速度向量，上标T表示向量转置；(2)、指定虚拟弹簧阻尼网络连接拓扑结构，依据步骤(1)所获期望相对位置向量和期望相对速度向量，采用无向图G＝(V,E)来表示虚拟弹簧阻尼网络连接拓扑结构，式中G为无向图，V为顶点集，V＝{v1,v2,…,vn}，vi(i＝1,2,…,n)为G的第i个顶点，与卫星编队中的第i个卫星相对应；E为边集，E＝{e1,e2,…,em}，m为E中边的个数，ek(k＝1,2,…,m)为G的第k条边，ek用其两个顶点表示为ek＝(vi,vj)，其中vi和vj是V中的两个不同的顶点，无向图G的边ek＝(vi,vj)指定其顶点vi和顶点vj之间的连接关系、指定第i个卫星和第j个卫星之间建立一个虚拟的弹簧阻尼器连接、指定所有卫星之间的所有虚拟弹簧阻尼器的连接拓扑结构，任意一个连通的无向图树、环、链，都可作为虚拟弹簧阻尼网络连接拓扑结构，自由选定一个便于实施的连通无向图作为虚拟弹簧阻尼网络连接拓扑结构，将所述委托卫星编队中的卫星以虚拟的弹簧阻尼器连接起来形成网络，指定该委托卫星编队中各卫星之间的虚拟弹簧阻尼器的连接关系，然后，由虚拟弹簧阻尼网络连接拓扑结构无向图G＝(V,E)确定各个卫星的邻居集合，第i个卫星的邻居集合为Ni＝{j|(vi,vj)∈E}，式中，Ni为第i个卫星的邻居集合，并将Ni存储在第i个卫星的内存中，i＝1,2,…,n；(3)、选定虚拟弹簧阻尼器系数，依据委托卫星编队提出的构形控制稳态误差和稳定性要求，为步骤(2)所指定连接关系的委托卫星编队中各卫星之间的虚拟弹簧阻尼器选定虚拟弹簧阻尼器系数，设委托卫星编队提出的构形保持误差不能大于ε，则|P‑Pd|∞≤ε，式中|·|∞表示向量各分量绝对值的最大值，P为卫星编队的实际相对位置向量；式中pi为第i+1个卫星相对于第1个卫星的实际相对位置；pi＝ri+1‑r1(i＝1,2,…,n‑1)，式中ri+1为第i+1个卫星的实际位置，r1为第1卫星的实际位置，使用如下不等式选取满足构形保持误差要求并能保证构形控制闭环系统稳定的弹性系数ks：ks≥1ϵmaxt∈T|{[STD(G)D(G)TS(STS)-1]-1⊗▿2Q(r0(t))}Pd|∞]]>式中：表示矩阵的Kronecker乘积；Q为地球引力势函数，r0(t)是已知的卫星编队所部署在的参考轨道的运动；t为时间；T为构形控制作用的时间区间；S＝[‑1n‑1 In‑1]T，1n‑1为n‑1行1列且所有元素为1的向量，In‑1为n‑1维的单位矩阵；D(G)为虚拟弹簧阻尼网络连接拓扑结构无向图G的关联矩阵，是一个n‑1行m列的矩阵，式中dik为D(G)的第i行第k列的元素，通过为G中每条边ek＝(vi,vj)指定ek的顶点vi和顶点vj中任意一个顶点为头，另一个顶点为尾，按下式确定所述虚拟弹簧阻尼网络连接拓扑结构无向图G的关联矩阵D(G)的第i行k列的元素dik的值(i＝1,2,…,n‑1；k＝1,2,…,m)：式中：dik为D(G)的第i行第k列的元素；vi为无向图G的第i个顶点；ek为无向图G中的第k条边，构形控制闭环系统稳定性对阻尼系数kd的要求为kd>0，据此选定kd；(4)、各卫星通过相对运动测量和通信感知相对运动状态，依据步骤(2)所指定的虚拟弹簧阻尼网络连接拓扑结构，使用常规方法，通过相对运动测量和通信获得委托卫星编队中各卫星与其邻居卫星即邻居集合中的卫星之间的相对运动状态，由每个卫星直接对其邻居卫星进行相对运动测量，获得邻居卫星对所述每个卫星的相对运动状态；或由邻居卫星对所述每个卫星进行相对运动测量，再通过所述每个卫星与邻居卫星的通信间接获取邻居卫星对所述每个卫星的相对运动状态；(5)、各卫星分别计算自身的控制加速度，使用步骤(3)所选定的虚拟弹簧阻尼器系数，依据步骤(4)所获各卫星与通过虚拟弹簧阻尼器连接的邻居卫星之间的相对运动状态，采用常规的沿三个坐标轴方向分别实施虚拟弹簧阻尼网络控制的方式，得到基于相对运动状态的线性控制律，依据所得线性控制律计算控制加速度，先按下述二式依次分别计...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈琪锋，王石，王耀南，张小刚，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43