[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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](Kapila V,SparksA G,Buffington J M,Yan Q.Spacecraft formation flying:Dynamics and control[J].Journal of Guidance,Control,and Dynamics,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](Kristiansen R,Nicklasson P J.Spacecraft formation flying:A review and new results on state feedback control[J].Acta Astronautica,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