[发明专利]一种通信和计算约束下航天器编队飞行相对位置控制方法

权利要求书

1.一种通信和计算约束下航天器编队飞行相对位置控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：建立航天器编队飞行过程相对位置误差动力学模型；

S2：基于有向图论，建立航天器编队飞行系统通信模型；

S3：考虑模型不确定性，设计无需邻居相对速度信息的自适应相对位置协同控制器；

S4：考虑通信和计算约束，设计事件触发适时通信策略；

S1中，考虑由n个航天器构成的航天器编队飞行系统，以地心为原点，建立地心惯性坐标系O-XYZ，其中，O固定在地心上，OX轴沿着地球赤道平面和黄道平面的交线指向春分点，OZ轴指向北极，OY轴垂直于OX轴和OZ轴构成的平面，且OX轴，OY轴和OZ轴构成右手坐标系；设定一个虚拟航天器作为参考航天器，建立虚拟航天器参考坐标系LVLH，其坐标轴以o-xyz表示，其中，o位于参考航天器的质心，ox轴为参考航天器运行轨道的矢径方向，oz轴垂直于参考轨道平面，oy轴与ox轴、oz轴构成右手坐标系；假设参考航天器运行于真近点角为θ，半长轴为a_c，离心率为e_c的椭圆轨道，相对于地心的位置为R_c＝[R_c,0,0]^T，其中表示参考航天器与地心在x轴方向上的距离；在虚拟航天器参考坐标系LVLH中，建立航天器编队飞行过程相对位置动力学模型为：

其中，ρ_i＝[ρ_ix,ρ_iy,ρ_iz]^T表示第i个航天器相对于参考航天器的位置，其中，ρ_ix，ρ_iy，ρ_iz分别为第i个航天器相对于参考航天器在x轴，y轴，z轴上的距离；v_i＝[v_ix,v_iy,v_iz]^T表示第i个航天器相对于参考航天器的速度，其中，v_ix，v_iy，v_iz分别为第i个航天器相对于参考航天器在x轴，y轴，z轴上的速度；m_i表示第i个航天器的质量；u_i表示第i个航天器的控制输入信号；表示第i个航天器的科氏力和离心力矩阵，其中，为参考航天器真近点角θ的一阶导数；表示第i个航天器的时变非线性项，如下：

其中，为参考航天器真近点角θ的二阶导数；μ表示地心引力常数；反映参考航天器的平均运动；表示第i个航天器相对于地心的距离；n_i(R_i,R_c)表示第i个航天器的重力力矩，定义如下：

在此基础上，在虚拟航天器参考坐标系LVLH中，建立航天器编队飞行过程相对位置误差动力学模型；记第i个航天器的期待位置为ρ_i^d；编队中心位置为第i个航天器的期待位置相对于编队中心位置为ρ_iF，则上述三者满足关系定义相对位置误差为第i个航天器的期待速度为则相对速度误差为航天器编队飞行过程相对位置误差动力学模型为：

S2中，所述基于有向图论，建立航天器编队飞行系统通信模型：假设航天器编队飞行系统中所有航天器之间通过网络进行有向信息交流，只有存在信息交流路径的邻近航天器能够进行通信；通信模型描述为带权重的有向图且具有有向生成树，其中，表示由n个航天器组成的节点集合；表示编队成员之间的信息交流路径；表示第i个航天器和第j个航天器之间的信息交流强度系数矩阵，信息交流强度系数a_ij的定义为：

其中，a_ij＞0(i≠j)表示第i个航天器和第j个航天器之间能够进行信息交流；a_ij＝0(i≠j)表示第i个航天器和第j个航天器之间不能进行信息交流；a_ij＝0(i＝j)表示航天器自身不通过通信网络进行信息交流；的拉普拉斯矩阵为其中l_ij＝-a_ij(i≠j)；

S3中，基于S1建立的编队飞行过程相对位置误差动力学模型和S2建立的航天器编队飞行系统通信模型，设计无需邻居相对速度信息的自适应相对位置协同控制器；首先，定义下列两个辅助变量：

其中，表示第j个航天器在虚拟航天器参考坐标系LVLH中与期待位置之间的位置误差，α＞0为正的类比例调节常数；

其次，考虑模型不确定性，设计无需邻居相对速度信息的自适应相对位置协同控制器为：

自适应控制率为：

其中，K_i＞0和k_i＞0均表示控制器的增益；表示第i个航天器质量的估计值；η_i＞0，表示自适应率的增益；表示回归矩阵。