本技术介绍了一种事件驱动的多星协同编队控制技术,涉及构建航天器编队系统的动力学与运动学模型,并在各跟随航天器中部署扩张状态观测器,利用观测器实现编队控制。
背景技术
自上世纪70年代开始,随着小卫星技术的快速发展,多个小卫星进行编队协同控制的技术也随之逐渐发展,航天器编队飞行的概念也应运而生。航天器编队飞行技术的研发也成为了各个国家航天研究的重要课题。组成编队飞行的卫星多是微小卫星,具有体积质量小、研发成本低、研发难度小、研发周期短等优点,多个小卫星通过彼此之间的信息交互完成协同工作,工作效率和工作能力大幅提高,甚至可以达到大型航天器的工作能力。除此之外,多个卫星进行编队飞行可以随时使得其他小卫星加入编队和退出编队,是整个系统具有更高的可靠性和重构性。小卫星编队是由多颗小卫星通过在空间保持特定的距离、通讯拓扑和几何构形而形成的一个空间系统,其中各个小卫星之间通过星载通讯设备或星间测量进行交互通信和协同工作,并完成给定的空间任务。同传统的单颗大卫星相比,小型航天器(小卫星)具有可批量化生产、模块化生产、研制周期短、成本低、质量小等优势;同时,编队卫星在飞行的过程中,各成员星之间通过星间信息交互,可以协同完成单颗卫星不能实现的复杂功能。由于小卫星编队技术的诸多优点,已开始在合成孔径雷达、电子侦察、近地勘测等领域发挥重要的作用。
在实际航天器编队飞行过程中,为应对实际工程中日益多元化和复杂化的空间任务,编队成员航天器常常需要以固定较高采样频率获取相邻成员航天器的状态信息,这无疑加大了整个编队航天器系统的通信压力,并进一步占用和压缩了星间通讯带宽;此外,频繁地进行通信,各航天器能量损耗将会增加,这将严重缩短航天器的使用寿命。因此,针对小型航天器组网编队过程中的通讯资源受限问题进行研究,已成为航天器领域中一个关键问题。另一方面,编队卫星在轨运行时往往会受到各种干扰力矩的影响,这些干扰力矩的存在会影响编队卫星的跟踪精度,因此,在设计高精度的编队控制方法的同时,需要考虑空间干扰的影响并对其进行消除或者补偿(易航.通讯资源受限下编队航天器协同控制问题研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2020.)。而航天器编队过程中,各航天器之间距离是动态变化的,过近的距离可能会使得航天器之间发生碰撞,造成航天器的损坏,因此,如何避免航天器编队过程发生碰撞也是急需考虑的问题。
在通信和自动控制领域,基于事件触发机制的通讯策略是降低通讯频率和节省带宽的有效途径,它通过设置触发条件,来控制星间数据传输频率,解决通讯带宽受限问题,只有触发条件满足时,才进行控制器更新和星间的数据传输。对于事件触发机制来说,它所诱导的非周期数据采样的传输频率,比传统的固定周期数据采样的传输频率要更低,因此可以在编队成员航天器间无需进行高频信息交互的情况下实现编队航天器的协同控制。然而,事件触发在进行信息处理时不可避免的会引入状态误差,这种误差的存在无疑会使控制系统的性能变差甚至发散。因此,在考虑基于事件触发的通讯情形下,如何设计高性能的编队跟踪控制策略就显得尤为重要,同时还需将航天器之间的避碰纳入考虑范围,以在事件触发机制下实现航天器无碰撞的编队跟踪。
实现思路