[发明专利]一种保证通信且避免碰撞的航天器编队协同控制方法

权利要求书

1.一种保证通信且避免碰撞的航天器编队协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)考虑存在外部干扰情况下，建立航天器编队飞行系统相对位置动力学模型；具体过程为：

考虑存在外部干扰情况下，假设航天器编队飞行系统包括n个航天器，以地心为原点，建立地心惯性坐标系O-XYZ；设定虚拟航天器，假设虚拟航天器运行在真近点角为θ，半长轴为a_c，离心率为e_c的椭圆轨道；以虚拟航天器作为参考航天器，建立LVLH坐标系o-xyz；参考航天器相对于地心的位置为R_c＝[R_c，0，0]^T，上标T表示矩阵转置，表示参考航天器与地心在x轴方向上的距离；以LVLH坐标系为参考坐标系，建立航天器编队飞行系统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，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个航天器的控制信号；d_i表示第i个航天器受到的外部干扰力；表示第i个航天器的科氏力和离心力矩阵，其中，

其中，反映参考航天器的平均运动；μ表示地心引力常数；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；表示第i个航天器相对于地心的距离；

(2)基于有向图论，对航天器编队飞行系统通信情况进行描述；具体过程为：

假设编队飞行系统中所有航天器之间进行无线通信；通信情况描述为带权重的有向强联通图G＝{V，E，A}，其中，V＝{v₁，...v_i，...，v_j，...，v_n}表示由n个航天器组成的节点集合，其中，v₁，...v_i，...，v_j，...，v_n分别表示1到n个航天器节点；表示编队航天器之间的通信路径集合；如果(v_i，v_j)∈E表示航天器j与航天器i之间能建立通信，航天器j能够获得航天器i的信息，则邻接矩阵中元素a_ij＞0；如果表示航天器j不能获得航天器i的信息，则邻接矩阵中元素a_ij＝0，其中，v_i和v_j分别表示第i个航天器节点和第j个航天器节点；同时，考虑航天器自身不进行无线通信，邻接矩阵中元素a_ij＝0；有向强联通图G的拉普拉斯矩阵为L＝[l_ij]∈R^n×n，其中，l_ij＝∑_j≠ia_ij，i＝j；l_ij＝-a_ij，i≠j；

(3)定义标量势函数，对保证航天器有效通信和避免碰撞的安全可靠区域进行限制；

考虑通信距离受限和安全距离限制，定义航天器i与航天器j之间的标量势函数为：

其中，ρ_a表示航天器之间确保有效通信的最大允许距离；ρ_c表示航天器之间避免碰撞的最小允许距离；ρ_d表示航天器之间避免碰撞的警戒距离，航天器i与航天器j之间的标量势函数V_ij关于ρ_i的梯度为：

其中，δ₁＝||ρ_i-ρ_j||⁴-2||ρ_i-ρ_j||²+ρ_a²ρ_c²+ρ_d²ρ_a²-ρ_d²ρ_c²；ρ_j表示第j个航天器相对于参考航天器的位置；

(4)基于步骤(1)建立的航天器编队飞行系统相对位置动力学模型、步骤(2)中航天器编队飞行系统通信情况以及步骤(3)中定义的标量势函数，设计自适应协同控制器，使航天器编队的最终速度趋于一致；

设计自适应协同控制器为：

自适应律：

其中，α_i＞0为控制增益；n为航天器编队飞行系统中航天器的数量；A＝[a_ij]∈R^n×n表示第i个航天器和第j个航天器之间邻接矩阵；v_i和v_j分别表示第i个航天器和第j个航天器相对于参考航天器的速度；ε＞0为用于补偿干扰的正常数，满足ε≥||d_i||_∞；η_i＞0，β＞0为正的可调节常数；为第i个航天器质量的估计值；