一种卫星编队相对轨道自适应神经网络构形包含控制方法技术

一种卫星编队相对轨道自适应神经网络构形包含控制方法，本发明专利技术涉及卫星编队相对轨道自适应神经网络构形包含控制方法。本发明专利技术的目的是为了解决现有技术中未考虑系统存在非线性不确定性和外界干扰的情况、未考虑卫星编队系统动力学存在广义干扰情况、未考虑抖振现象以及信息全局可知带来的通讯负担的问题。通过以下技术方案实现的：步骤一、建立跟随星i的相对轨道动力学方程；步骤二、对步骤一中每一个跟随星设计分布式速度观测器；步骤三、根据跟随星i的相对轨道动力学方程和分布式速度观测器进行神经网络逼近；步骤四、根据步骤三得到的神经网络逼近结果，设计自适应神经网络构形包含控制算法。本发明专利技术应用于卫星领域。

【技术实现步骤摘要】
一种卫星编队相对轨道自适应神经网络构形包含控制方法
本专利技术涉及卫星编队相对轨道自适应神经网络构形包含控制方法。
技术介绍
1、卫星编队系统的介绍和研究意义及价值近年来，航天技术对世界各国的政治、经济、军事和人类生活的方方面面都产生重要影响，逐渐发展成为衡量国家综合国力的一项关键技术。卫星技术是航天技术发展的重要组成部分，苏联于1957年发射了第一颗人造地球卫星，标志着人类多年来期望能够进入外太空的梦想得以实现。随着空间技术的不断成熟，许多不同用途的卫星正给人类提供着各种便捷的服务，如气象卫星、遥感卫星、环境卫星和通信卫星等。随着技术的不断成熟，航天任务朝着多样化的方向发展，这就使得单星的结构变得越来越复杂，研发周期不断变长，成本不断增加，能否顺利完成航天任务的风险同时也增加了，因为单星局部故障可能会导致整个系统的瘫痪。为避免以上缺陷，多星编队飞行控制方法逐渐得到发展和应用。卫星编队飞行是指将单颗复杂大卫星所具有的功能分配给一组具有一定空间、构型、相互协作的小卫星[1](KapilaV,SparksAG,BuffingtonJM,YanQ.Spacecraftformationflying:Dynamicsandcontrol[J].JournalofGuidance,Control,andDynamics,2000,23(3):561-564.)。这些编队小卫星以类似一颗虚拟单体复杂大卫星的方式来完成一定的空间任务，如对地观测、深空探测、通讯、导航等。与单颗复杂大卫星相比，卫星编队飞行有如下主要优点[2](KristiansenR,NicklassonPJ.Spacecraftformationflying:Areviewandnewresultsonstatefeedbackcontrol[J].ActaAstronautica,2009,65:1537-1552.)：(1)灵活性、可靠性高。在卫星编队飞行过程中，由于相互协作的多颗小卫星是以模块化的形式来共同完成一定的空间任务，这就可以大大地提高系统的灵活性和可靠性。假如系统中有一颗小卫星损坏，只会有与之相关的几条链路受到影响，而整个系统不会由此消亡或失效，那么就可以通过及时将损坏的个体清除出系统，补充新的小卫星来使系统复原。(2)适应性强。编队飞行系统具有很强的适应性，因为它采用的是模块化技术。当飞行任务发生变更时，系统可以根据任务的变更补充有效个体，经过系统重构、队形调整之后就可以很好地适应和完成新的任务。(3)成本低。由于编队飞行的主要特点是采用大量的小卫星来完成任务，这必将促使小卫星的设计制造采用标准化的工艺流程，相比于复杂大卫星，单星的成本自然就会降低，从而使整个系统的成本降低。2、卫星编队控制策略的分类目前，卫星编队控制多采用主从式控制策略，它是指主星接收地面控制指令，实现对主星的绝对轨道控制，各编队卫星通过测量其与主星的相对状态(相对位置和速度)实现对主星相对轨道的跟踪控制。主从式控制策略缺少编队卫星间的信息交互，实质为单星对主星的跟踪控制飞行，容易出现单点失败的情形，即一旦主控制器失效，势必造成系统全局的失效。为增强编队卫星间的协同性，基于信息一致性理论分析的分布式卫星编队协同控制成为最新研究热点。分布式卫星编队协同控制问题中，卫星间通讯方式主要分为有向图和无向图。无向通讯方式要求卫星间存在双向的信息交互，这对卫星的通讯设备、卫星间的通讯链路和通讯设备提出了非常高的要求。在存在多种干扰的复杂外太空环境下，有向通讯方式更容易实现，且具有更低的成本。3、卫星编队系统领航星个数的分类卫星编队协同控制的动力学模型可以表示为Euler-Lagrange系统。近年来，基于Euler-Lagrange系统的多智能体协调控制得到了广泛的研究。在多Euler-Lagrange系统协调控制领域，按照领航者个数分类，可以分为无领航者一致性控制、单领航者跟踪控制和多领航者包含控制控制。文献[3](RenW.DistributedleaderlessconsensusalgorithmsfornetworkedEuler-Lagrangesystems[J].InternationalJournalofControl,2009,82(11):2137-2149.)针对无领航者的一致性问题，对多Euler-Lagrange系统设计了分布式一致性控制算法。文献[4](Rodriguez-AngelesA,NijmeijerH.Mutualsynchronizationofrobotsviaestimatedstatefeedback:Acooperativeapproach[J].IEEET.Contr.Syst.T.,2004,12(4):542-554.)针对单个领航者的跟踪控制问题，通过设计非线性的观测器来获得领航者的速度信息，但要求所有的跟随者都可以获得领航者的状态信息，这样的要求在实际中很难得到满足。以Euler-Lagrange系统为模型的无领航者一致性控制和单领航者跟踪控制在卫星编队协同控制中具有一定的应用范围，其应用缺陷是各个卫星最终的运动目标是集合到某一共同状态或跟踪单个领航星。被广泛关注的另一种应用方式是多星包含控制，多星包含控制是指各跟随星集合到由多领航星围成的构形凸包内的控制方式。其典型的应用是当多个领航星检测到环境中的危险情况后形成一个安全区域，跟随星则通过信息交互与分布式控制律最终运动到该区域内，从而可以避免外界不安全区域的影响。多星包含控制是指各跟随星集合到由多领航星围成的构形凸包内的控制方式。其典型的应用是当多个领航星检测到环境中的危险情况后形成一个安全区域，跟随星则通过信息交互与分布式控制律最终运动到该区域内，从而可以避免外界不安全区域的影响。4、列举文献文献[5](梅杰,马广富.近距离航天器相对轨道的鲁棒自适应控制[J].宇航学报,2010,31(10):2276-2282.)考虑卫星间的相对运动，设计滑模自适应控制算法，对近距离航天器相对轨道的鲁棒自适应控制问题进行了研究。该文献不考虑航天器主动姿态机动，因而航天器的转动角速度都比较小，故只需考虑航天器的相对轨道控制问题。首先，定义目标星和跟踪星的相对位置和相对速度误差向量，通过相对位置和相对速度误差向量的线性组合形成滑模变量。然后，考虑系统是否存在的干扰，分别设计了自适应控制律。最后，通过Lyapunov稳定性理论证明了所设计的控制算法可以使系统渐近稳定或者一致最终有界稳定。自适应控制是指对卫星编队系统设计控制算法使之能适应一定程度的参数不确定性，即能修正自己的特性以适应对象和扰动的动态特性的变化。文献[6](MeiJ,RenW,MaGF.DistributedcontainmentcontrolforLagrangiannetworkswithparametricuncertaintiesunderadirectedgraph[J].Automatica,2012,48:653-659.)基于有向图，对多Euler-Lagrange系统的分布式包含控制问题进行了研究。对于每一个跟随者，为了获得领航者的速度信息和加速度信息，通过引入符号函数设计了分布式速度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种卫星编队相对轨道自适应神经网络构形包含控制方法，其特征在于，一种卫星编队相对轨道自适应神经网络构形包含控制方法具体是按以下步骤进行的：步骤一、建立跟随星i的相对轨道动力学方程；步骤二、对步骤一中每一个跟随星设计分布式速度观测器；步骤三、根据跟随星i的相对轨道动力学方程和分布式速度观测器进行神经网络逼近；步骤四、根据步骤三得到的神经网络逼近结果，设计自适应神经网络构形包含控制算法。

【技术特征摘要】
1.一种卫星编队相对轨道自适应神经网络构形包含控制方法，其特征在于，一种卫星编队相对轨道自适应神经网络构形包含控制方法具体是按以下步骤进行的：步骤一、建立跟随星i的相对轨道动力学方程；步骤二、对步骤一中每一个跟随星设计分布式速度观测器；步骤三、根据跟随星i的相对轨道动力学方程和分布式速度观测器进行神经网络逼近；步骤四、根据步骤三得到的神经网络逼近结果，设计自适应神经网络构形包含控制算法；所述步骤一中建立跟随星i的相对轨道动力学方程；具体过程为：卫星编队系统参考轨道坐标系即LVLH坐标系如下，LVLH坐标系x轴由地心指向参考点，LVLH坐标系y轴沿参考点运行的速度方向，LVLH坐标系z轴根据右手定则由x轴和y轴确定；参考点轨道角速度为在LVLH坐标系中，跟随星i相对于参考点的相对轨道动力学方程为：式中：ω0为参考点轨道角速度，xi为跟随星i的相对位置在LVLH坐标系x轴上的分量，yi为跟随星i的相对位置在LVLH坐标系y轴上的分量，zi为跟随星i的相对位置在LVLH坐标系z轴上的分量，为跟随星i的相对速度在LVLH坐标系x轴上的分量，为跟随星i的相对速度在LVLH坐标系y轴上的分量，为跟随星i的相对速度在LVLH坐标系z轴上的相对分量，为跟随星i的相对加速度在LVLH坐标系x轴上的分量，为跟随星i的相对加速度在LVLH坐标系y轴上的分量，为跟随星i的相对加速度在LVLH坐标系z轴上的分量，μe为万有引力常数，R0为圆轨道的半径，Ri为跟随星i与地心间的距离，τoix为跟随星i在LVLH坐标系x轴上的控制力作用，τdoix为跟随星i在LVLH坐标系x轴上的广义干扰作用，τoiy为跟随星i在LVLH坐标系y轴上的控制力作用，τdoiy为跟随星i在LVLH坐标系y轴上的广义干扰作用，τoiz为跟随星i在LVLH坐标系z轴上的控制力作用，τdoiz为跟随星i在LVLH坐标系z轴上的广义干扰作用，i＝1,2,…N，N为正整数，moi为跟随星i的质量，τoi＝[τoixτoiyτoiz]T为作用在跟随星i上的控制力作用，τdoi＝[τdoixτdoiyτdoiz]T为广义干扰作用；定义广义坐标qi＝(xi,yi,zi)T，则跟随星i的相对轨道动力学方程表示为：其中，式中：为跟随星i的广义速度；假设跟随星i的相对轨道动力学方程中moi、coi、goi未知且广义干扰τdoi有界。2.根据权利要求1所述一种卫星编队相对轨道自适应神经网络构形包含控制方法，其特征在于，所述步骤二中对步骤一中每一个跟随星设计分布式速度观测器；具体过程为：对每一个跟随星设计分布式速度观测器，如下式所示：式中：为跟随星i对自身期望速度向量的估计，β为正常数，aij为加权邻接矩阵的元素，j为卫星编队系统中卫星的序号；当j＝1,2,...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙延超，陈亮名，王文佳，董振，李传江，马广富，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23