空间太阳能电站能量传输多智能体容错协同控制方法技术

本发明专利技术提供一种空间太阳能电站能量传输多智能体容错协同控制方法，涉及共位式多航天器容错协同控制技术领域。在地球静止轨道和在晨昏太阳同步轨道上分别设置n和m个空间太阳能电站及其共位卫星，m个空间太阳能电站收集太阳能发射到距其最近的地球静止轨道空间太阳能电站，再通过姿态协同控制将能量由地球静止轨道上其他空间太阳能电站发到地面接收站。地球静止轨道及晨昏太阳同步轨道上空间太阳能电站出现故障时，共位卫星调整姿态进入轨位；地球静止轨道空间太阳能电站接收太阳能量达上限时，向共位卫星传输多余能量。本发明专利技术通过共位卫星之间的姿态协同控制实现能量传输多级转换，充分利用轨道资源，提高能量传输效率和容错率。率和容错率。率和容错率。

【技术实现步骤摘要】
空间太阳能电站能量传输多智能体容错协同控制方法


[0001]本专利技术涉及共位式多航天器容错协同控制
，尤其涉及一种空间太阳能电站能量传输多智能体容错协同控制方法。

技术介绍

[0002]位于地球赤道上空35786公里的地球静止轨道可以有效的完成通讯、数据传输、电视广播、气象、海洋探测、导航等各种业务和科研领域服务。近几十年来，静止轨道卫星已发挥出崭新的应用价值并创造了巨大的经济效益。
[0003]然而地球静止轨道却是一个非常有限的空间区域，这个区域由轨道离地球的高度及其相对于地球赤道的纬度确定，这个环状区域只有一个自由度来分配不同类型的卫星，这个自由度就是轨道相对于地球的经度。由于各种摄动因素的影响，每颗卫星都在经度方向上分配有一定的漂移范围(一般为
±
0.1
°
左右)，以一定的周期进行位置保持。按这样的分配方法，静止轨道所能容纳的卫星数目是非常有限的，理论上最多有1800颗静止轨道卫星。因此，静止轨道定点经度是有限资源。特别是亚太地区和远东地区轨位紧张的局面，已经引起国际会议的关注，部分赤道国家曾经对其上空静止轨道的轨位提出主权要求。
[0004]另一方面，日益增长的通信需求也超出了现有静止轨道卫星的通信能力，而发展大型卫星又受到火箭运载能力等各方面的限制，所以在静止轨道上设置卫星群成为了一个新的研究方向。这就要求对数颗卫星在一个较小的范围内的运动特性及其相互关系进行研究，并且寻找一种策略，使之协调运行。
[0005]多星共位是指在地球静止轨道的一个定点位置上放置多颗卫星，构成卫星群(或星座)，共享一个轨位。这些卫星在轨道上的分布必须保持在规定位置，如
±
0.1
°
的范围内活动(即东西和南北均保持
±
0.1
°
)。
[0006]多星共位的主要约束条件是：卫星群在长期运行过程中不越出给定的轨道窗口范围(通常为东西
±
0.1
°
)，而且必须保证它们彼此保持一定的相对距离以避免卫星之间的相互碰撞和相互遮挡。但在实际的研究中，因为在卫星间总要留有5～10km的安全距离，几十米尺度的卫星只相当于角分量级的遮挡物，除了有特殊要求的卫星，卫星间的遮挡基本可以不考虑。
[0007]为了避免碰撞，应使共位卫星相对距离尽可能大，特别是最小相对距离尽可能大。而作为多星共位的轨道控制，一是要及时调整每颗卫星轨道的半长轴、倾角及偏心率，以保证共位星群中的每一颗星都不漂出定点窗口，同时还应该控制共位星群中任意两星之间，存在一定的安全距离而使共位卫星不发生碰撞。为保证共位星群的安全，多星共位的实现需要解决的主要问题有：共位星群的轨道隔离、共位星群的轨道保持、共位星群的相对轨道控制、共位星群的测定轨、共位星群间的电磁干扰。

技术实现思路

[0008]本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种空间太阳能电站
能量传输多智能体容错协同控制方法，通过共位卫星之间的姿态协同控制实现能量传输的多级转换，充分利用轨道资源，提高能量传输效率，提高整个闭环能量传输系统的容错率，使系统趋于稳定。
[0009]为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：
[0010]一种空间太阳能电站能量传输多智能体容错协同控制方法，将n个空间太阳能电站以及它们的共位卫星均布分散在地球静止轨道上，所述n个空间太阳能电站相对位置固定，形成一个闭环的能量传输链；
[0011]将m个空间太阳能电站以及它们的共位卫星设置在晨昏太阳同步轨道上，所有晨昏太阳同步轨道上的空间太阳能电站以及它们的共位卫星始终面向太阳，将太阳能进行收集转换，通过波束控制发射装置将能量发射到与之距离最近的位于地球静止轨道的空间太阳能电站上；
[0012]位于地球静止轨道上的空间太阳能电站在接受能量后通过姿态协同控制将能量传输到位于地球静止轨道上的其他空间太阳能电站上，最终将能量发射到地面接收站，地面接收站将接收到的波信号转为电信号，实现电能利用；
[0013]当位于地球静止轨道以及位于晨昏太阳同步轨道上的空间太阳能电站出现故障脱离轨道时，相应的共位卫星调整姿态进入轨位，代替已损坏的空间太阳能电站继续进行能量传输、导航、通信的太空任务；
[0014]当位于地球静止轨道上的空间太阳能电站接收能量达到上限时，开始向与之对应的共位卫星传输多余的能量，最终共同将能量发射到地面接收站。
[0015]进一步地，所述晨昏太阳同步轨道上空间太阳能电站的共位卫星设置在晨昏太阳同步轨道内侧，地球静止轨道上空间太阳能电站的共位卫星设置在地球静止轨道外侧。
[0016]进一步地，建立地心惯性坐标系{A}，在建立好地心惯性坐标系后在坐标系内建立任意一颗空间太阳能电站的本体坐标系以及与之共用一个轨位的共位卫星的本体坐标系；
[0017]a
e
为任意一颗空间太阳能电站，a
e
f为和空间太阳能电站a
e
共用一个轨位的共位卫星；空间太阳能电站a
e
在地心惯性坐标系下相对于地心的姿态描述为共位卫星a
e
f在地心惯性坐标系下相对于地心的姿态描述为共位卫星a
e
f在地心惯性坐标系下相对于空间太阳能电站a
e
的姿态描述为其中，
[0018]进一步地，用晨昏太阳同步轨道上任意一个空间太阳能电站到地球静止轨道上任意一个空间太阳能电站的自定义距离表示晨昏太阳同步轨道上任意一个空间太阳能电站向地球静止轨道上任意一个空间太阳能电站能量传输过程的距离，其计算表达式为：
[0019][0020]用地球静止轨道上任意一个空间太阳能电站到地球静止轨道上其他任意一个空间太阳能电站的自定义距离表示出地球静止轨道上任意一个空间太阳能电站向地球静止轨道上其他任意一个空间太阳能电站能量传输过程的距离，其计算表达式为：
[0021][0022]用晨昏太阳同步轨道上任意一个空间太阳能电站到晨昏太阳同步轨道上其他任
意一个空间太阳能电站的自定义距离表示出晨昏太阳同步轨道上任意一个空间太阳能电站到晨昏太阳同步轨道上其他任意一个空间太阳能电站能量传输过程的距离，其计算表达式为：
[0023][0024]其中，a
i
为地球静止轨道上的第i个空间太阳能电站，i＝1、2、...、n，其在地心惯性坐标系中的坐标为(a
ix
,a
iy
,a
iz
)；a
k
为地球静止轨道上的第k个空间太阳能电站，k＝1、2、...、n，其在地心惯性坐标系中的坐标为(a
kx
,a
ky
,a
kz
)；b
j
为晨昏太阳同步轨道上的第j个空间太阳能电站，j＝1、2、...、m，其在地心惯性坐标系中的坐标为(b
jx
,b
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空间太阳能电站能量传输多智能体容错协同控制方法，其特征在于：将n个空间太阳能电站以及它们的共位卫星均布分散在地球静止轨道上，所述n个空间太阳能电站相对位置固定，形成一个闭环的能量传输链；将m个空间太阳能电站以及它们的共位卫星设置在晨昏太阳同步轨道上，所有晨昏太阳同步轨道上的空间太阳能电站以及它们的共位卫星始终面向太阳，将太阳能进行收集转换，通过波束控制发射装置将能量发射到与之距离最近的位于地球静止轨道的空间太阳能电站上；位于地球静止轨道上的空间太阳能电站在接受能量后通过姿态协同控制将能量传输到位于地球静止轨道上的其他空间太阳能电站上，最终将能量发射到地面接收站，地面接收站将接收到的波信号转为电信号，实现电能利用；当位于地球静止轨道以及位于晨昏太阳同步轨道上的空间太阳能电站出现故障脱离轨道时，相应的共位卫星调整姿态进入轨位，代替已损坏的空间太阳能电站继续进行能量传输、导航、通信的太空任务；当位于地球静止轨道上的空间太阳能电站接收能量达到上限时，开始向与之对应的共位卫星传输多余的能量，最终共同将能量发射到地面接收站。2.根据权利要求1所述的空间太阳能电站能量传输多智能体容错协同控制方法，其特征在于：所述晨昏太阳同步轨道上空间太阳能电站的共位卫星设置在晨昏太阳同步轨道内侧，地球静止轨道上空间太阳能电站的共位卫星设置在地球静止轨道外侧。3.根据权利要求2所述的空间太阳能电站能量传输多智能体容错协同控制方法，其特征在于：建立地心惯性坐标系{A}，在建立好地心惯性坐标系后在坐标系内建立任意一颗空间太阳能电站的本体坐标系以及与之共用一个轨位的共位卫星的本体坐标系；a
e
为任意一颗空间太阳能电站，a
e
f为和空间太阳能电站a
e
共用一个轨位的共位卫星；空间太阳能电站a
e
在地心惯性坐标系下相对于地心的姿态描述为共位卫星a
e
f在地心惯性坐标系下相对于地心的姿态描述为共位卫星a
e
f在地心惯性坐标系下相对于空间太阳能电站a
e
的姿态描述为其中，4.根据权利要求3所述的空间太阳能电站能量传输多智能体容错协同控制方法，其特征在于：用晨昏太阳同步轨道上任...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨靖宇，郝运，丁赟，
申请(专利权)人：沈阳航空航天大学，
类型：发明
国别省市：