[发明专利]基于包含动态规避和阻尼特性人工势场法的卫星集群控制方法

说明书

本发明公开了一种基于包含动态规避和阻尼特性人工势场法的卫星集群控制方法，包括：以主星为中心，对其通信区域进行划分，在不同的区域采用不同的人工势场，从而维持卫星集群的构型稳定；根据卫星集群中成员的相对位置和相对速度，设计以每颗成员卫星为中心的包含动态规避的人工势场法控制器，保证集群中的成员卫星在任务期间不发生碰撞；针对空间任务需求增加，现有卫星个数不足以完成任务的情况，设计了包含阻尼特性的人工势场法控制器，能够有效的保证，新加入的卫星能安全可靠的加入当前集群，构成新的集群。该方法适用于空间摄动条件下卫星集群的构型维持，碰撞规避，以及集群重组。

技术领域

本发明涉及卫星控制技术领域，特别涉及一种基于包含动态规避和阻尼特性人工势场法的卫星集群控制方法。

背景技术

随着航空航天技术的不断发展，由多个智能小卫星组成的群体通过共享信息和任务，虽然小卫星功能相对简单，但通过组网飞行，完全可以实现一些传统大卫星复杂的功能，且可以大幅度降低大卫星所承担的成本和风险，显著增强系统的灵活性和鲁棒性。卫星集群的主要挑战来自卫星与环境之间的动态耦合，卫星集群在空间中运动时，将面临环境干扰，如J2摄动，空气阻力和太阳压力等，若不采用主动控制，这些干扰会导致卫星迅速地彼此漂移，最终难以维持集群的完整性。

人工势场法是由Khatib提出的一种虚拟力法，最初用于移动机器人的控制，基本思想是将机器人在周围环境中的运动，设计成一种抽象的人造引力场中的运动，目标点对移动机器人产生“引力”，障碍物对移动机器人产生“斥力”，最后通过求合力来控制移动机器人的运动。由于人工势场法能够人为设置运动“禁区”，且数学描述上简单，非常适合控制要求相对较低的卫星集群控制。

在卫星集群的控制过程中，不仅要维持集群的完整，还需要应考虑集群成员之间的碰撞规避，单纯基于相对位置的人工势场法的碰撞规避策略在某些特殊条件下无法满足任务要求。同时，当有任务需求增加时，现有卫星个数不足以完成任务，通常需要补充一定数量的卫星加入集群，为解决这一问题，有必要提出基于包含动态规避和阻尼特性人工势场法的卫星集群控制方法。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种基于包含动态规避和阻尼特性人工势场法的卫星集群控制方法，该方法碰撞规避集群重组。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了基于包含动态规避和阻尼特性人工势场法的卫星集群控制方法，包括以下步骤：步骤S1，以主星为中心建立LVLH坐标系，以主星通信距离将主星周围空间划分成六个区域；步骤S2，确定当前主星通信区域内所有从星在所述LVLH坐标系下，从星相对主星的位置和速度；步骤S3，确定包含主星和所有从星在内的卫星集群整体通信拓扑；步骤S4，根据所述从星相对主星的位置和速度，确定从星在主星附近的具体区域，并执行以主星为中心的基于改进人工势场法的集群保持控制策略；步骤S5，根据所述卫星集群整体通信拓扑得到卫星间的连接关系，并所述步骤S4执行基于包含动态规避的人工势场法的卫星集群防碰撞控制策略；步骤S6，根据所述步骤S5确定新加入集群的卫星，并采用基于包含阻尼特性的人工势场法的控制策略。

本发明实施例的基于包含动态规避和阻尼特性人工势场法的卫星集群控制方法，通过以主星为中心，对其通信区域进行划分，在不同的区域采用不同的人工势场，从而维持卫星集群的构型稳定；根据卫星集群中成员的相对位置和相对速度，设计以每颗成员卫星为中心的包含动态规避的人工势场法控制器，保证集群中的成员卫星在任务期间不发生碰撞；针对空间任务需求增加，现有卫星个数不足以完成任务的情况，设计了包含阻尼特性的人工势场法控制器，能够有效的保证，新加入的卫星能安全可靠的加入当前集群，构成新的集群。

另外，根据本发明上述实施例的基于包含动态规避和阻尼特性人工势场法的卫星集群控制方法还可以具有以下附加的技术特征：