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

摘要

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。

说明书

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：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述六个区域分别为禁飞区，强斥力区，斥力过渡区，自由飞行区，引力过渡区和强引力区，其中，在除所述禁飞区和所述自由飞行区以外的区域设置阻尼区，所述阻尼区覆盖于所述强斥力区、所述斥力过渡区、所述引力过渡区和所述强引力区。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤S4中的集群保持控制策略采用具有斥力过渡区和引力过渡区的改进的人工势场法，表达式为：

其中，ρ

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤S5中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的表达式为：

其中，u

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤S6的表达式为：

其中，u

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个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流程图；

图2为主星通信区域划分示意图；

图3为卫星集群三维运动图；

图4为卫星集群中从星相对主星的距离图；

图5为卫星集群从星之间相对距离图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出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。

图1是本发明一个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流程图。

如图1所示，该方法包括以下步骤：

在步骤S1中，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。

进一步地，如图2所示，步骤S1中的六个区域分别为禁飞区、强斥力区、斥力过渡区、自由飞行区、引力过渡区和强引力区，同时，在除禁飞区和自由飞行区以外的区域设置阻尼区，该阻尼区覆盖于强斥力区、斥力过渡区、引力过渡区和强引力区。

在步骤S2中，确定当前主星通信区域内所有从星在LVLH坐标系下，从星相对主星的位置和速度。

举例而言，通过GPS可以实时获得星群中主星与从星在惯性系下的位置与速度，进而经过坐标变换实时计算出从星在以主星为中心的LVLH坐标系下的位置和速度。

步骤S3中，确定包含主星和所有从星在内的卫星集群整体通信拓扑。

具体地，集群中，任意两颗卫星间的距离只要在通信范围之内即视为存在星间通信，进而可得到集群中所有卫星整体的通信拓扑。

在步骤S4中，根据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。

具体地，以主星实际的安全距离为依据确定禁飞区的外缘半径，以主星的极限通信距离为依据确定强引力区的半径，其余的区域可根据具体任务需求灵活划分。步骤S4中卫星集群保持控制策略采用采用具有过渡区域的改进的人工势场法，保证从星可以在主星的安全距离与通信距离之内运行，其表达式如下：

其中，ρ

在步骤S5中，根据卫星集群整体通信拓扑得到卫星间的连接关系，并基于步骤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。

具体地，步骤S5中为避免星群中的卫星发生碰撞，采用基于包含动态规避的人工势场法的卫星集群防碰撞控制，表达式如下：

其中，u

在步骤S6中，根据步骤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。

具体地，步骤S6中当现有卫星个数不足以完成任务，需要多颗卫星飞入从星层加入集群时，采用基于包含阻尼特性的人工势场法的控制策略，表达式如下：

其中，u

下面通过数值仿真对本发明提出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进一步说明。

仿真中，假设卫星集群包含1颗主星，5颗从星。其中2颗从星的初始位置在主星的通信范围内，另外3颗从星从外部飞向主星计划加入集群。采用基于包含阻尼特性的人工势场法的控制策略，使得从外部飞向主星的3颗从星在加入集群后能不再脱离主星的通信范围，同时能够保证集群中所有卫星均能维持在主星通信范围内无碰撞飞行。如图3所示，在LVLH坐标系下为卫星集群在空间中的三维运动图，如图4所示，确定从星相对主星的位置和速度，如图5所示，设定S1中主星通信区域划分的仿真参数为：主星安全距离外缘半径d＝200m，第i颗从星人工势场的作用半径D

本发明实施例提出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。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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。