一種空間小型飛行器編隊飛行控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種空間小型飛行器編隊飛行控制系統(tǒng)，包括任務(wù)規(guī)劃模塊、隊形計算模塊、主飛行器控制模塊、編隊隊形控制模塊以及從飛行器控制模塊，其中：任務(wù)規(guī)劃模塊用于向隊形計算模塊發(fā)送使命空間特性和目標特性，隊形計算模塊確定空間小型飛行器最優(yōu)編隊隊形，并將最優(yōu)編隊隊形發(fā)送給編隊隊形控制模塊，任務(wù)規(guī)劃模塊還用于直接向主飛行器發(fā)送指令飛行狀態(tài)，主飛行器控制模塊進行飛行控制，得到實際運動狀態(tài)，編隊隊形控制模塊計算得出從飛行器的指令運動狀態(tài)，并將計算結(jié)果發(fā)送給從飛行器控制模塊，從飛行器控制模塊進行飛行控制，得到實際運動狀態(tài)。
【專利說明】一種空間小型飛行器編隊飛行控制系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種空間小型飛行器，特別是涉及一種空間小型飛行器編隊飛行控制 系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]航天器編隊飛行是20世紀90年代后期隨著計算機技術(shù)、新材料、新能源技術(shù)的發(fā) 展而出現(xiàn)的一種新的航天器空間運行模式。在有心力場中多顆軌道周期相同的航天器近距 離飛行，彼此之間可形成特定的相對運動軌道，航天器之間互相協(xié)同，密切聯(lián)系，以分布方 式構(gòu)成一顆大的"虛擬衛(wèi)星"（或稱"分布式衛(wèi)星系統(tǒng)"，"分布式航天器系統(tǒng)"），從而產(chǎn)生系 統(tǒng)理論中所謂的"涌現(xiàn)"現(xiàn)象，性能上遠遠超過傳統(tǒng)的單航天器系統(tǒng)。由于航天器編隊飛行 在探測、作戰(zhàn)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，從誕生之初就獲得了世界各航天大國的青睞，成 為當今一大熱點研究領(lǐng)域。
[0003] 編隊飛行控制技術(shù)是實現(xiàn)航天器編隊飛行的技術(shù)基礎(chǔ)。編隊飛行控制包括隊形保 持和隊形變換。目前編隊飛行控制研究已經(jīng)遍及殲擊機、無人機、衛(wèi)星等領(lǐng)域。飛行器編隊 飛行研究的熱門主要集中在航天器、飛機等方面，比較有代表性的是關(guān)于衛(wèi)星編隊飛行控 制的研究以及無人機編隊飛行控制研究。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：針對單枚飛行器執(zhí)行空間任務(wù)能力不足，提出一種空 間小型飛行器編隊飛行控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了多枚空間小型飛行器的協(xié)同作戰(zhàn)，提升了作戰(zhàn)效 能。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種空間小型飛行器編隊飛行控制系統(tǒng)，包括任務(wù)規(guī) 劃模塊、隊形計算模塊、主飛行器控制模塊、編隊隊形控制模塊以及從飛行器控制模塊，其 中：
[0006] 任務(wù)規(guī)劃模塊用于向隊形計算模塊實時發(fā)送使命空間特性和目標分布特性；所述 使命空間特性包括隊形保持和隊形變換；
[0007] 隊形計算模塊根據(jù)任務(wù)規(guī)劃模塊發(fā)送的使命空間特性和目標分布特性，確定空間 小型飛行器最優(yōu)編隊隊形；并將最優(yōu)編隊隊形指令發(fā)送給編隊隊形控制模塊；_
[0008] 任務(wù)規(guī)劃模塊還用于根據(jù)使命目標空間特性和目標分布特性向主飛行器控制模 塊發(fā)送主飛行器的運動狀態(tài)指令； _ _ >
[0009] 主飛行器控制模塊根據(jù)規(guī)劃模塊發(fā)出的運動狀態(tài)指令，進行對主飛行器的飛行控 制，得到實際運動狀態(tài)；并將主飛行器的實際運動狀態(tài)發(fā)送給編隊隊形控制模土夬；
[0010] 編隊隊形控制模塊用于根據(jù)主飛行器控制模塊發(fā)送的主飛行器實際運動狀態(tài)以 及由隊形計算模塊發(fā)送的最優(yōu)編隊隊形和所接收到的從飛行器的運動狀態(tài):計算得出從飛 行器的運動狀態(tài)指令；并將計算所得從飛行器的運動狀態(tài)指令發(fā)送給從飛行控制模塊；一
[0011] 從飛行器控制模塊根據(jù)編隊飛行控制模塊發(fā)送的從飛行器的指令運動狀態(tài)進行 飛行控制，得到實際運動狀態(tài)，并將運動狀態(tài)反饋給編隊隊形控制模塊。
[0012] 所述最優(yōu)編隊隊形為集中式，所述集中式為以主飛行器為參照點，編隊中的每個 空間小型飛行器與該參考點的相對位置不變。
[0013] 所述最優(yōu)編隊隊形為分層式，所述分層式為將從飛行器分為若干個次級編隊，并 在每一個次級編隊中設(shè)定一個次級主飛行器，然后將各個編隊的次級主飛行器與所述主飛 行器作為一個編隊進行控制。
[0014] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：
[0015] (1)通過仿真分析，證明本發(fā)明提出的編隊飛行控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)空間小型飛行 器的快速組網(wǎng)編隊飛行，進而實現(xiàn)編隊隊形的集中式與分層式隊形保持控制和隊形變換控 制。
[0016] ⑵提高了作戰(zhàn)性能，空間小型飛行器的編隊飛行可廣泛應(yīng)用于空間協(xié)同探測、偵 查、中繼傳輸、空間攻防等領(lǐng)域，具有巨大的技術(shù)優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。
[0017] (3)提升了系統(tǒng)適應(yīng)性，空間小型飛行器編隊構(gòu)形大小與編隊中飛行器數(shù)目甚至 飛行器所攜帶的載荷都可以根據(jù)任務(wù)要求而進行變化，只需在原飛行器基礎(chǔ)上適當調(diào)整就 可以使飛行編隊獲得新功能或更高性能，從而以較短周期、較低成本和較高可靠性來完成 新舊任務(wù)更替。
[0018] (4)提高了系統(tǒng)的可靠性，由于編隊飛行系統(tǒng)由多枚空間小型飛行器組成，且在系 統(tǒng)設(shè)計階段考慮冗余度，如果系統(tǒng)中有一顆小型飛行器損壞，只會有與之相關(guān)的鏈路受影 響，而整個系統(tǒng)不會消亡，在及時將損壞的個體清除出系統(tǒng)后，通過重構(gòu)或者是補充新空間 小型飛行器即可使系統(tǒng)復原，從而使系統(tǒng)在遭受破壞時更具魯棒性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明的空間小型飛行器相對坐標示意圖；
[0020] 圖2a為本發(fā)明的空間小型飛行器集中式編隊飛行圖；
[0021]圖2b為本發(fā)明的空間小型飛行器分層式編隊飛行圖；
[0022]圖3為本發(fā)明的空間小型飛行器編隊飛行控制框圖；

【具體實施方式】
[0023] 以下結(jié)合附圖對本發(fā)明予以說明。
[0024] 編隊的飛行器因任務(wù)要求往往要保持其在隊列中的相對位置基本不變。一般的保 持策略是編隊中的每個空間小型飛行器保持與隊列中參考點的相對位置不變，本發(fā)明采用 以主飛行器為約定點的保持策略，也稱為跟隨保持。在空間小型飛行器數(shù)量較少時，采用集 中式控制，即編隊中的各個空間小飛行器相對于主飛行器的位置不變，圖2a為一臺主飛行 器和兩臺從飛行器組成的編隊飛行不意圖，圖中，兩臺從飛行器相對于一臺主飛行器的位 置不變；當空間小型飛行器的數(shù)量較多時，應(yīng)用集中式的控制方法顯得十分繁瑣，而且隊形 變換時容易發(fā)生混亂，故采用分層式控制，即將從飛行器分為若干個次級編隊，并在每一個 次級編隊中設(shè)定一個次級主飛行器，然后將各個編隊的次級主飛行器與所述主飛行器作為 一個編隊進行控制，即次級主飛行器相對于主飛行器的位置不變，次級編隊中的從飛行器 相對于次級主飛行器的位置不變，進而實現(xiàn)整個編隊的有效控制。圖2b所示即為空間小型 飛行器分層式編隊飛行示意圖，其中，包括一個主飛行器、兩個次級主飛行器丨、2,主飛行器 與兩個次級主飛行器構(gòu)成一個飛行編隊，其中一個次級主飛行器與另外兩個從飛行器組成 一個次級飛行編隊。
[0025] 圖1所示為以一臺主飛行器及兩臺從屬飛行器組成的集中式隊形保持控制模型， 其中，主坐標系Oi-XJA，該主坐標系為航天領(lǐng)域常用的J2000坐標系，坐標原點位于地心， X軸方向為春分點方向（春分點方向是指太陽沿黃道從天赤道由南向北通過天赤道那一點 為春分點），z軸方向為沿地球自轉(zhuǎn)軸指向北，Y軸與X軸和Z軸構(gòu)成右旋坐標系；以下主從 飛行器的坐標位置均以此主坐標系作為參照；定義相對坐標系〇 r-xryrzr，坐標系原點位于 主飛行器質(zhì)心，w軸指向主飛行器的速度方向，〇 ryr堅直向上，0rzr軸與之構(gòu)成右手坐標 系D
[0026] 圖3為編隊飛行控制系統(tǒng)示意圖，編隊隊形控制過程如下：首先，任務(wù)規(guī)劃模塊向 空間小型飛行器編隊隊形計算模塊提供編隊的使命空間特性及目標分布特性，本發(fā)明的使 命空間特性包括編隊隊形保持和編隊隊形變換等，目標分布特性包括對地面目標觀測時地 面目標的地理經(jīng)緯度、對空間目標觀測時空間目標的相對位置等目標分布特性；并用于根 據(jù)使命目標空間特性和目標分布特性直接向主飛行器發(fā)送指令飛行狀態(tài)，即空間位置、速 度、彈道傾角和彈道偏角變化率，進而直接約束主飛行器的飛行狀態(tài)。
[0027] 空間小型飛行器編隊隊形計算模塊根據(jù)任務(wù)規(guī)劃模塊提供的使命空間特性和 目標分布特性，確定當前任務(wù)下的最優(yōu)隊形，不同階段對應(yīng)不同的空間小型飛行器編隊 最優(yōu)隊形；在編隊隊形保持的使命空間特性下，假設(shè)其最優(yōu)隊形為與主飛行器保持一定 空間位置關(guān)系的隊形，從飛行器與主飛行器之間位置關(guān)系（期望間距）為（1,1,?)= Λ、ΔΖ)，其中為第i枚從飛行器的位置，ΑΛΑ)為主 飛行器的位置為第i枚（i從2開始）從飛行器與主飛行器的坐標系轉(zhuǎn)換矩陣。坐標系 轉(zhuǎn)換矩陣Κ、位置增量（ΔΧρ ΔΥρ ΛΖΡ與飛行器通訊距離、機動能力、控制精度等參數(shù)相 關(guān)，隨任務(wù)要求變化而變化。例如飛行器根據(jù)任務(wù)需求需要保持菱形進攻隊形，且由主飛行 器作為進攻箭頭尖端，組網(wǎng)通訊距離為10km，防碰撞半徑為4km，考慮控制誤差lkm，組網(wǎng)通 訊距離余量lkm，綜合以上約束條件，則從飛行器2、3、4與主飛行器之間的坐標系轉(zhuǎn)換矩陣 和位置增量分別為：
[0028]①主從飛行器共用一個坐標系則坐標系轉(zhuǎn)換矩陣為：
[0029]

【權(quán)利要求】
1. 一種空間小型飛行器編隊飛行控制系統(tǒng)，其特征在于：包括任務(wù)規(guī)劃模塊、隊形計 算模塊、主飛行器控制模塊、編隊隊形控制模塊以及從飛行器控制模塊，其中 ： 任務(wù)規(guī)劃模塊用于向隊形計算模塊實時發(fā)送使命目標的空間特性和目標分布特性，所 述使命目標空間特性為編隊隊形保持或編隊隊形變換； 隊形計算模塊根據(jù)規(guī)劃模塊發(fā)送的使命空間特性和目標分布特性，確定空間小型飛行 器當前最優(yōu)編隊隊形；并將最優(yōu)編隊隊形發(fā)送給編隊隊形控制模塊； 任務(wù)規(guī)劃模塊還用于根據(jù)使命目標空間特性和目標分布特性向主飛行器控制模塊發(fā) 送主飛行器的運動狀態(tài)指令； > 主飛行器控制模塊根據(jù)任務(wù)劃模塊發(fā)出的運動狀態(tài)指令，進行對主飛行器的飛行控 制，得到實際運動狀態(tài)；并將主飛行器的實際運動狀態(tài)發(fā)送給編隊隊形控制模塊； 編隊隊形控制模塊用于根據(jù)主飛行器控制模塊發(fā)送的主飛行器實際運動狀態(tài)以及由 隊形計算模塊發(fā)送的最優(yōu)編隊隊形和所接收到的從飛行器的運動狀態(tài)，計算得出從飛行器 的運動狀態(tài)指令；并將計算所得從飛行器的運動狀態(tài)指令發(fā)送給從飛行控制模塊； > 從飛行器控制模塊根據(jù)編隊飛行控制模塊發(fā)送的從飛行器的指令運動狀態(tài)進行飛行 控制，得到實際運動狀態(tài)，并將運動狀態(tài)反饋給編隊隊形控制模塊。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間小型飛行器編隊飛行控制系統(tǒng)，其特征在于：所述 最優(yōu)編隊隊形為集中式，所述集中式為以主飛行器為參照點，編隊中的每個空間小型飛行 器與該參考點的相對位置不變。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間小型飛行器編隊飛行控制系統(tǒng)，其特征在于：所述 最優(yōu)編隊隊形為分層式，所述分層式為將從飛行器分為若干個次級編隊，并在每一個次級 編隊中設(shè)定一個次級主飛行器，然后將各個編隊的次級主飛行器與所述主飛行器作為一個 編隊進行控制。
【文檔編號】G05B19/418GK104216382SQ201410484189
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月19日
【發(fā)明者】陳墾, 梁海朝, 王永海, 水涌濤, 劉佳琪, 孟剛 申請人:北京航天長征飛行器研究所, 中國運載火箭技術(shù)研究院