一种航天器编队飞行低通讯连通保持协同控制方法技术

本发明专利技术公开了一种航天器编队飞行低通讯连通保持协同控制方法，首先基于地心惯性坐标系和当地水平当地垂直坐标系，建立编队飞行过程航天器位置动力学模型；然后基于有向图理论，描述航天器之间的通信情况；接着定义统一标量势函数，对航天器之间的期待构型和通信范围进行限制；最后基于事件触发策略，设计基于事件驱动的通信机制，构建低通讯连通保持协同控制器，使编队航天器最终以一致的速度保持期待的构型运行。上述方法利用统一的标量势函数，设计连通保持协同控制器，可以保证航天器编队飞行系统在可靠通信区域内保持期待构型运行；并且，基于事件触发策略，设计事件驱动通信机制，可以避免通信资源浪费，实现低通讯连通保持协同控制。

【技术实现步骤摘要】
一种航天器编队飞行低通讯连通保持协同控制方法
本专利技术涉及航天器控制
，尤其涉及一种航天器编队飞行低通讯连通保持协同控制方法。
技术介绍
随着微电子技术和通信技术的蓬勃发展，航天器编队飞行技术日趋成熟。与传统大型单航天器任务相比，多航天器组网构成的编队飞行系统在任务性能以及任务成本等方面都展现出显著的优势，在新型在轨航天任务中具有强大的优势和潜在的应用价值。由于编队飞行系统是由多个距离较近、物理上不相连的航天器构成，各航天器需要通过相互之间的通信链路对星上信号进行传输共享，协同完成编队任务，因此，编队航天器之间进行可靠有效通信是完成编队任务的基础。并且，为确保信息传递的准确性和任务完成的高效性，每个编队航天器都存在最大有效通信范围约束，因此，确保航天器之间的通信链路始终保持连通是实现协同任务的关键所在。此外，由于成本与技术等多方面限制，编队航天器在自身质量和体积上有着严格要求，星上的有效载荷受到严格限制，这使得编队航天器的通信资源存在严重约束。因此，如何确保编队任务高效完成的同时，减少通信资源消耗尤为重要。综上所述，在存在通信范围限制和通信资源约束的情况下，保证编队航天器能够以低通信量始终运行在有效通信范围内，且始终保持期待的编队构型运行，是航天器编队飞行位置协同控制的重要任务。针对星载通信设备能力有限，星间通信带宽不足等问题，中国优秀硕士学位论文数据库《星间通信受限航天器姿态协同控制方法研究》基于无向通信拓扑建立了多星姿态协同控制模型，并在通信环节引入了事件驱动算法，解决了星间通信受限下的多航天器的姿态协同控制问题，但其中并没有考虑星间通信距离有限情况，在任务过程中，并不能保证航天器始终运行在有效通信范围之内；航空学报《考虑避障的航天器编队轨道控制律设计》采用轨道坐标系，描述了存在干扰及故障情况下的编队飞行过程航天器相对轨道动力学模型，然后基于人工势函数制导与滑模控制技术，提出了一种新颖的自适应轨道控制方法，解决了航天器编队飞行过程中的故障容错、障碍规避以及碰撞避免等重要的飞行安全问题，但并未考虑航天器星载资源有限及星间通信范围受限等问题。因此，设计低通讯连通保持协同控制器，使得编队航天器在减少通信量的同时始终位于有效通信范围内，并且保持期待构型运行，是确保航天器编队飞行任务低成本、高可靠完成的核心问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术针对航天器编队飞行系统存在的通信资源有限、星间通讯距离受限等问题，提供了一种航天器编队飞行低通讯连通保持协同控制方法，这是一种能够使航天器编队飞行系统在可靠区域内保持期待构型运行的控制方法，可以解决航天器编队飞行系统在协同控制过程通信资源有限和通信距离受限情况下的位置协同控制问题，使航天器编队飞行系统以期待构型高效可靠地完成编队任务。本专利技术提供的一种航天器编队飞行低通讯连通保持协同控制方法，包括如下步骤：S1：基于地心惯性坐标系和当地水平当地垂直坐标系，建立编队飞行过程中编队航天器位置动力学模型；S2：基于有向图理论，描述编队飞行过程中编队航天器之间的通信情况；S3：定义统一标量势函数，对编队航天器之间的期待构型和通信范围进行约束；S4：基于建立的编队航天器位置动力学模型，在已知编队航天器之间通信情况条件下，利用定义的统一标量势函数，设计事件驱动通信机制，构建低通讯连通保持协同控制器，使编队航天器最终以一致的速度保持期待构型运行。在一种可能的实现方式中，在本专利技术提供的上述航天器编队飞行低通讯连通保持协同控制方法中，步骤S1，基于地心惯性坐标系和当地水平当地垂直坐标系，建立编队飞行过程中编队航天器位置动力学模型，具体包括：在地心惯性坐标系O-XYZ中，设定虚拟航天器，假设虚拟航天器运行在椭圆轨道上，椭圆轨道的真近点角为θ，半长轴为ac，离心率为ec；以虚拟航天器作为参考航天器，建立当地水平当地垂直坐标系o-xyz，虚拟航天器相对于地心的位置向量为：Rc＝[Rc,0,0]T(1)其中，Rc表示虚拟航天器与地心在当地水平当地垂直坐标系的x轴方向上的距离；假设编队飞行系统中有n个编队航天器，在当地水平当地垂直坐标系中，建立编队飞行过程中航天器位置动力学模型为：其中，ρi＝[ρix,ρiy,ρiz]T(5)vi＝[vix,viy,viz]T(6)其中，i∈{1,...,n}，表示编队航天器i；ρi表示编队航天器i在当地水平当地垂直坐标系中的位置向量，为ρi的一阶导数，ρix表示编队航天器i在当地水平当地垂直坐标系的x轴上的位置，ρiy表示编队航天器i在当地水平当地垂直坐标系的y轴上的位置，ρiz表示编队航天器i在当地水平当地垂直坐标系的z轴上的位置；vi表示编队航天器i在当地水平当地垂直坐标系中的速度向量，为vi的一阶导数，vix表示编队航天器i在当地水平当地垂直坐标系的x轴上的速度值，viy表示编队航天器i在当地水平当地垂直坐标系的y轴上的速度值，viz表示编队航天器i在当地水平当地垂直坐标系的z轴上的速度值；mi表示编队航天器i的质量；ni表示编队航天器i的重力梯度力，ui表示编队航天器i的控制器；Ci表示编队航天器i的科氏力和离心力矩阵，为虚拟航天器真近点角θ的一阶导数，nc反映虚拟航天器的平均运动，μ表示地心引力常数；Di表示编队航天器i的时变非线性项，为虚拟航天器真近点角θ的二阶导数，Ri表示编队航天器i相对于地心的距离。在一种可能的实现方式中，在本专利技术提供的上述航天器编队飞行低通讯连通保持协同控制方法中，步骤S2，基于有向图理论，描述编队飞行过程中编队航天器之间的通信情况，具体包括：假设编队飞行系统中所有航天器内部元件之间借助数据总线保持物理连接，航天器相互之间经由无线传感网络进行通信；通信情况描述为带权重的有向强联通图G＝{S,E,A}，其中，S＝{s1,...,sn}表示由n个编队航天器组成的节点集合，表示编队航天器相互之间的通信路径集合，A＝[aij]∈Rn×n，i∈{1,...,n}，j∈{1,...,n}，为邻接矩阵，表示编队航天器i和编队航天器j之间的通信强度；若(si,sj)∈E，i∈{1,...,n}，j∈{1,...,n}，则表示编队航天器i与编队航天器j之间能建立通信，编队航天器j能获得编队航天器i的信息，邻接矩阵中元素aij＞0；若则表示编队航天器i与编队航天器j之间无法进行无线通信，邻接矩阵中元素aij＝0；考虑到编队航天器内部元件之间保持物理连接，不进行无线通信，邻接矩阵中元素aii＝0；有向强联通图G的拉普拉斯矩阵为L＝[lij]∈Rn×n，i∈{1,...,n}，j∈{1,...,n}，其中，在一种可能的实现方式中，在本专利技术提供的上述航天器编队飞行低通讯连通保持协同控制方法中，步骤S3，定义统一标量势函数，对编队航天器之间的期待构型和通信范围进行约束，具体包括：定义编队航天器i本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种航天器编队飞行低通讯连通保持协同控制方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1：基于地心惯性坐标系和当地水平当地垂直坐标系，建立编队飞行过程中编队航天器位置动力学模型；/nS2：基于有向图理论，描述编队飞行过程中编队航天器之间的通信情况；/nS3：定义统一标量势函数，对编队航天器之间的期待构型和通信范围进行约束；/nS4：基于建立的编队航天器位置动力学模型，在已知编队航天器之间通信情况条件下，利用定义的统一标量势函数，设计事件驱动通信机制，构建低通讯连通保持协同控制器，使编队航天器最终以一致的速度保持期待构型运行。/n

【技术特征摘要】
1.一种航天器编队飞行低通讯连通保持协同控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：基于地心惯性坐标系和当地水平当地垂直坐标系，建立编队飞行过程中编队航天器位置动力学模型；
S2：基于有向图理论，描述编队飞行过程中编队航天器之间的通信情况；
S3：定义统一标量势函数，对编队航天器之间的期待构型和通信范围进行约束；
S4：基于建立的编队航天器位置动力学模型，在已知编队航天器之间通信情况条件下，利用定义的统一标量势函数，设计事件驱动通信机制，构建低通讯连通保持协同控制器，使编队航天器最终以一致的速度保持期待构型运行。


2.如权利要求1所述的航天器编队飞行低通讯连通保持协同控制方法，其特征在于，步骤S1，基于地心惯性坐标系和当地水平当地垂直坐标系，建立编队飞行过程中编队航天器位置动力学模型，具体包括：
在地心惯性坐标系O-XYZ中，设定虚拟航天器，假设虚拟航天器运行在椭圆轨道上，椭圆轨道的真近点角为θ，半长轴为ac，离心率为ec；以虚拟航天器作为参考航天器，建立当地水平当地垂直坐标系o-xyz，虚拟航天器相对于地心的位置向量为：
Rc＝[Rc,0,0]T(1)



其中，Rc表示虚拟航天器与地心在当地水平当地垂直坐标系的x轴方向上的距离；假设编队飞行系统中有n个编队航天器，在当地水平当地垂直坐标系中，建立编队飞行过程中航天器位置动力学模型为：






其中，
ρi＝[ρix,ρiy,ρiz]T(5)
vi＝[vix,viy,viz]T(6)


















其中，i∈{1,...,n}，表示编队航天器i；ρi表示编队航天器i在当地水平当地垂直坐标系中的位置向量，为ρi的一阶导数，ρix表示编队航天器i在当地水平当地垂直坐标系的x轴上的位置，ρiy表示编队航天器i在当地水平当地垂直坐标系的y轴上的位置，ρiz表示编队航天器i在当地水平当地垂直坐标系的z轴上的位置；vi表示编队航天器i在当地水平当地垂直坐标系中的速度向量，为vi的一阶导数，vix表示编队航天器i在当地水平当地垂直坐标系的x轴上的速度值，viy表示编队航天器i在当地水平当地垂直坐标系的y轴上的速度值，viz表示编队航天器i在当地水平当地垂直坐标系的z轴上的速度值；mi表示编队航天器i的质量；ni表示编队航天器i的重力梯度力，ui表示编队航天器i的控制器；Ci表示编队航天器i的科氏力和离心力矩阵，为虚拟航天器真近点角θ的一阶导数，nc反映虚拟航天器的平均运动，μ表示地心引力常数；Di表示编队航天器i的时变非线性项，为虚拟航天器真近点角θ的二阶导数，Ri表示编队航天器i相对于地心的距离。


3.如权利要求2所述的航天器编队飞行低通讯连通保持协同控制方法，其特征在于，步骤S2，基于有向图理论，描述编队飞行过程中编队航天器之间的通信情况，具体包括：
假设编队飞行系统中所有航天器内部元件之间借助数据总线保持物理连接，航天器相互之间经由无线传感网络进行通信；通信情况描述为带权重的有向强联通图G＝{S,E,A}，其中，S＝{s1,...,sn}表示由n个编队航天器组成的节点集合，表示编队航天器相互之间的通信路径集合，A＝[a...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡庆雷，石永霞，郑建英，郭雷，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11