[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

说明书

本发明公开了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，包括以下步骤：建立航天器编队飞行过程相对位置误差动力学模型；基于有向图论，建立航天器编队飞行系统通信模型；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；考虑通信和计算约束，设计事件触发适时通信策略。本方法能够保证航天器编队飞行系统在实现整体位置机动的同时保持编队构型不变，并且具有鲁棒性强、有效减少编队航天器之间通讯量和星载计算机计算量等优点，适用于航天器编队飞行相对位置协同控制。

技术领域

本发明属于航天器控制技术领域，具体来说，涉及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。

背景技术

随着小卫星技术的发展，航天器编队飞行技术取得了广泛的应用，主要集中在深空探测和对地球测量等领域。编队中的航天器通过网络进行通信交流，以获取相邻航天器的状态信息，进而设计自身的控制信号，最终各个航天器协同完成可变基线干涉、合成孔径成像、分布式传感等航天器编队飞行任务。相比于传统单个大型航天器，编队中的航天器可采用规模化生产，集中式发射，大大降低了生产成本和发射成本。多个航天器构成的编队飞行系统鲁棒性增强，当某一个编队航天器发生故障时，其他有效工作的航天器可重新调整构型，继续完成编队飞行任务。因此，航天器编队飞行技术在航天领域发挥着越来越重要的作用。但是由于编队航天器需要通过网络进行通信，完成协同联合控制，星间交换信息量很大，频繁的信息交流会造成通信网络的拥挤或者堵塞，造成信号接收延时或者导致信号丢失。同时，与单个大型航天器相比，编队航天器的星载计算机存在计算能力受限的问题，持续的控制信号计算可能会造成星载计算机负载过重。此外，在任务完成过程中，星上携带的燃料不断消耗，使得航天器相对位置动力学模型存在不确定性。因此，保证航天器编队飞行系统，在通信资源受限、星载计算机计算能力有限和模型不确定性情况下，实现整体位置机动的同时保持构型不变，是航天器编队飞行相对位置协同控制的重要任务。

针对近距离编队航天器共面椭圆绕飞构型控制中的相位需求，专利CN201510443862.6基于相对运动动力学Hill方程的参数解，在控制量一定的前提下，采用相位改变量的正切值对控制时机及控制方向构成的二元连续函数求极值的方法，得到了实现最小控制量的相位控制关系，但是该方法需要高精度的数值积分运算，计算量大，并没有考虑编队航天器星载计算机计算能力有限的约束；专利CN201510520989.3设计了一种基于归一化神经网络的航天器编队飞行容错姿态协同控制方法，首先，考虑系统存在扰动，执行机构故障及输出饱和的情况下，建立单个航天器的姿态和角速度误差模型；其次，基于输入归一化神经网络设计控制律，使得各航天器状态达到协同一致；然后，各航天器根据自身以及邻居航天器的姿态信息，计算所需控制力矩；最后，由各自航天器的执行机构施加控制力矩于相应的航天器，实现航天器编队飞行系统姿态的一致，但是在利用通信关系获取邻居航天器信息过程中，并未考虑通信资源受限的问题。因此，如何设计协同控制器，使编队航天器减少通信量、计算量，同时对模型不确定具有鲁棒性，并且能够在实现整体位置机动的同时保持构型不变，是确保航天器编队飞行系统空间任务高效进行的重要问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对航天器编队飞行系统存在通信资源受限、星载计算机计算能力有限和模型不确定性等问题，提出一种无需邻居速度信息的自适应相对位置协同控制方法，它是一种鲁棒性强且能够减少编队航天器之间通信量、计算量的控制方法，解决了航天器编队飞行系统在协同位置机动过程，通信资源受限、星载计算机计算能力有限以及模型不确定性情况下的相对位置协同控制问题，使航天器编队飞行系统在很大程度上减轻了编队航天器之间通信的资源占用，节省了星上计算资源，并且具有鲁棒能力。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案如下：

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，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；