[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

说明书

本发明公开了一种保证通信且避免碰撞的航天器编队协同控制方法，包括以下步骤：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；基于有向图论，对航天器编队飞行系统通信情况进行描述；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；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。本方法能够保证编队航天器在实现整体速度一致的同时保证编队航天器进行有效通信和避免碰撞，并且具有抗干扰能力强、鲁棒性强等优点，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，特别地涉及一种保证通信且避免碰撞的航天器编队协同控制方法，主要应用于存在通信距离受限、安全距离限制、模型不确定性和外部干扰作用的航天器编队飞行系统。

背景技术

航天器编队飞行由于相对成本低、系统鲁棒性强、运行可靠性高和任务响应速度快等优点，在现代航天领域发挥着越来越重要的作用。在执行空间任务时，航天器编队飞行系统中各编队航天器之间可以采用无线通信，来获得相邻航天器的状态信息，结合自身的状态信息，构建控制器，实现整个航天器编队飞行系统的协同控制。

但是，当各编队航天器距离相对较远时，通信往往出现中断的情况。同时，当编队航天器运行距离较近时，会存在彼此碰撞的风险。因此，考虑在保证编队航天器有效通信和避免碰撞等约束情况下，实现协同控制尤为重要。此外，随着航天器编队任务进行，由于航天器本身燃料不断消耗造成的系统模型存在不确定性和由于空间复杂运行环境引入系统的干扰，都会对航天器编队飞行系统正常运行造成一定影响，这就要求航天器编队飞行系统具有鲁棒性强、抗干扰能力强等特点。因此，保证航天器编队飞行系统能够在模型不确定性和外部干扰作用情况下，在安全可靠区域内实现最终速度保持一致，是航天器编队飞行相对位置协同控制的重要任务。

发明内容

本发明的技术解决问题：针对航天器编队飞行系统存在通信距离受限、安全距离限制、模型不确定性和外部干扰等问题，提出一种保证通信且避免发生碰撞的相对位置自适应协同控制方法，它是一种鲁棒性强、抗干扰能力强且能够使航天器编队飞行系统运行在安全可靠区域内的控制方法，解决了航天器编队飞行系统在协同控制过程，通信距离受限、安全距离限制以及存在模型不确定性和受到外部干扰情况下的相对位置协同控制问题，使航天器编队飞行系统高效可靠完成编队任务。

根据本发明的一方面，提供了一种保证通信且避免碰撞的航天器编队协同控制方法，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；

(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；

(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；

(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。

进一步地，步骤(1)具体为：

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位置为R_c＝[R_c,0,0]^T，上标T表示矩阵转置，其中，R_c表示虚拟航天器与地心在x轴方向上的距离，通过计算得到；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：