一種衛(wèi)星編隊(duì)相對(duì)軌道自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形包含控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及衛(wèi)星編隊(duì)相對(duì)軌道自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形包含控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 1、衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)的介紹和研究意義及價(jià)值
[0003] 近年來(lái)，航天技術(shù)對(duì)世界各國(guó)的政治、經(jīng)濟(jì)、軍事和人類(lèi)生活的方方面面都產(chǎn)生重 要影響，逐漸發(fā)展成為衡量國(guó)家綜合國(guó)力的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。衛(wèi)星技術(shù)是航天技術(shù)發(fā)展的重 要組成部分，蘇聯(lián)于1957年發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星，標(biāo)志著人類(lèi)多年來(lái)期望能夠進(jìn)入 外太空的夢(mèng)想得以實(shí)現(xiàn)。隨著空間技術(shù)的不斷成熟，許多不同用途的衛(wèi)星正給人類(lèi)提供著 各種便捷的服務(wù)，如氣象衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星、環(huán)境衛(wèi)星和通信衛(wèi)星等。
[0004] 隨著技術(shù)的不斷成熟，航天任務(wù)朝著多樣化的方向發(fā)展，這就使得單星的結(jié)構(gòu)變 得越來(lái)越復(fù)雜，研發(fā)周期不斷變長(zhǎng)，成本不斷增加，能否順利完成航天任務(wù)的風(fēng)險(xiǎn)同時(shí)也 增加了，因?yàn)閱涡蔷植抗收峡赡軙?huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓。為避免以上缺陷，多星編隊(duì)飛行 控制方法逐漸得到發(fā)展和應(yīng)用。衛(wèi)星編隊(duì)飛行是指將單顆復(fù)雜大衛(wèi)星所具有的功能分 配給一組具有一定空間、構(gòu)型、相互協(xié)作的小衛(wèi)星 [1] (Kapila V，Sparks A G, Buffington J M, Yan Q.Spacecraft formation flying:Dynamics and control[J]. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2000, 23 (3) : 561-564.)。這些編隊(duì)小衛(wèi)星以類(lèi)似一顆 虛擬單體復(fù)雜大衛(wèi)星的方式來(lái)完成一定的空間任務(wù)，如對(duì)地觀測(cè)、深空探測(cè)、通訊、導(dǎo)航等。 與單顆復(fù)雜大衛(wèi)星相比，衛(wèi)星編隊(duì)飛行有如下主要優(yōu)點(diǎn) [2] (Kristiansen R, Nicklasson P J. Spacecraft formation flying:A review and new results on state feedback control [J]. Acta Astronautica, 2009, 65:1537-1552.) :(1)靈活性、可靠性高。在衛(wèi)星 編隊(duì)飛行過(guò)程中，由于相互協(xié)作的多顆小衛(wèi)星是以模塊化的形式來(lái)共同完成一定的空間任 務(wù)，這就可以大大地提高系統(tǒng)的靈活性和可靠性。假如系統(tǒng)中有一顆小衛(wèi)星損壞，只會(huì)有與 之相關(guān)的幾條鏈路受到影響，而整個(gè)系統(tǒng)不會(huì)由此消亡或失效，那么就可以通過(guò)及時(shí)將損 壞的個(gè)體清除出系統(tǒng)，補(bǔ)充新的小衛(wèi)星來(lái)使系統(tǒng)復(fù)原。（2)適應(yīng)性強(qiáng)。編隊(duì)飛行系統(tǒng)具有很 強(qiáng)的適應(yīng)性，因?yàn)樗捎玫氖悄K化技術(shù)。當(dāng)飛行任務(wù)發(fā)生變更時(shí)，系統(tǒng)可以根據(jù)任務(wù)的變 更補(bǔ)充有效個(gè)體，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)重構(gòu)、隊(duì)形調(diào)整之后就可以很好地適應(yīng)和完成新的任務(wù)。（3)成 本低。由于編隊(duì)飛行的主要特點(diǎn)是采用大量的小衛(wèi)星來(lái)完成任務(wù)，這必將促使小衛(wèi)星的設(shè) 計(jì)制造采用標(biāo)準(zhǔn)化的工藝流程，相比于復(fù)雜大衛(wèi)星，單星的成本自然就會(huì)降低，從而使整個(gè) 系統(tǒng)的成本降低。
[0005] 2、衛(wèi)星編隊(duì)控制策略的分類(lèi)
[0006]目前，衛(wèi)星編隊(duì)控制多采用主從式控制策略，它是指主星接收地面控制指令，實(shí)現(xiàn) 對(duì)主星的絕對(duì)軌道控制，各編隊(duì)衛(wèi)星通過(guò)測(cè)量其與主星的相對(duì)狀態(tài)（相對(duì)位置和速度）實(shí) 現(xiàn)對(duì)主星相對(duì)軌道的跟蹤控制。主從式控制策略缺少編隊(duì)衛(wèi)星間的信息交互，實(shí)質(zhì)為單星 對(duì)主星的跟蹤控制飛行，容易出現(xiàn)單點(diǎn)失敗的情形，即一旦主控制器失效，勢(shì)必造成系統(tǒng)全 局的失效。為增強(qiáng)編隊(duì)衛(wèi)星間的協(xié)同性，基于信息一致性理論分析的分布式衛(wèi)星編隊(duì)協(xié)同 控制成為最新研究熱點(diǎn)。分布式衛(wèi)星編隊(duì)協(xié)同控制問(wèn)題中，衛(wèi)星間通訊方式主要分為有向 圖和無(wú)向圖。無(wú)向通訊方式要求衛(wèi)星間存在雙向的信息交互，這對(duì)衛(wèi)星的通訊設(shè)備、衛(wèi)星間 的通訊鏈路和通訊設(shè)備提出了非常高的要求。在存在多種干擾的復(fù)雜外太空環(huán)境下，有向 通訊方式更容易實(shí)現(xiàn)，且具有更低的成本。
[0007] 3、衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)領(lǐng)航星個(gè)數(shù)的分類(lèi)
[0008] 衛(wèi)星編隊(duì)協(xié)同控制的動(dòng)力學(xué)模型可以表示為Euler-Lagrange系統(tǒng)。近年來(lái)，基 于Eu I er-Lagrange系統(tǒng)的多智能體協(xié)調(diào)控制得到了廣泛的研究。在多Eu I er-Lagrange 系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制領(lǐng)域，按照領(lǐng)航者個(gè)數(shù)分類(lèi)，可以分為無(wú)領(lǐng)航者一致性控制、單領(lǐng)航者跟蹤 控制和多領(lǐng)航者包含控制控制。文獻(xiàn)[3] (Ren W. Distributed leaderless consensus algorithms for networked Euler-Lagrange systems[J]. International Journal of Control, 2009, 82(11) :2137-2149.)針對(duì)無(wú)領(lǐng)航者的一致性問(wèn)題，對(duì)多 Euler-Lagrange 系統(tǒng)設(shè)計(jì)了分布式一致性控制算法。文獻(xiàn)[4] (Rodriguez-Angeles A, Ni jmeijer H. Mutual synchronization of robots via estimated state feedback:A cooperative approach [J]. IEEE T. Contr. Syst. T.，2004, 12(4) :542-554.)針對(duì)單個(gè)領(lǐng)航者的跟蹤控制 問(wèn)題，通過(guò)設(shè)計(jì)非線性的觀測(cè)器來(lái)獲得領(lǐng)航者的速度信息，但要求所有的跟隨者都可以獲 得領(lǐng)航者的狀態(tài)信息，這樣的要求在實(shí)際中很難得到滿(mǎn)足。以Euler-Lagrange系統(tǒng)為模型 的無(wú)領(lǐng)航者一致性控制和單領(lǐng)航者跟蹤控制在衛(wèi)星編隊(duì)協(xié)同控制中具有一定的應(yīng)用范圍， 其應(yīng)用缺陷是各個(gè)衛(wèi)星最終的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)是集合到某一共同狀態(tài)或跟蹤單個(gè)領(lǐng)航星。被廣泛 關(guān)注的另一種應(yīng)用方式是多星包含控制，多星包含控制是指各跟隨星集合到由多領(lǐng)航星圍 成的構(gòu)形凸包內(nèi)的控制方式。其典型的應(yīng)用是當(dāng)多個(gè)領(lǐng)航星檢測(cè)到環(huán)境中的危險(xiǎn)情況后形 成一個(gè)安全區(qū)域，跟隨星則通過(guò)信息交互與分布式控制律最終運(yùn)動(dòng)到該區(qū)域內(nèi)，從而可以 避免外界不安全區(qū)域的影響。
[0009] 多星包含控制是指各跟隨星集合到由多領(lǐng)航星圍成的構(gòu)形凸包內(nèi)的控制方式。其 典型的應(yīng)用是當(dāng)多個(gè)領(lǐng)航星檢測(cè)到環(huán)境中的危險(xiǎn)情況后形成一個(gè)安全區(qū)域，跟隨星則通過(guò) 信息交互與分布式控制律最終運(yùn)動(dòng)到該區(qū)域內(nèi)，從而可以避免外界不安全區(qū)域的影響。
[0010] 4、列舉文獻(xiàn)
[0011] 文獻(xiàn)[5](梅杰，馬廣富.近距離航天器相對(duì)軌道的魯棒自適應(yīng)控制[J].宇航學(xué) 報(bào)，2010, 31 (10) :2276-2282.)考慮衛(wèi)星間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)滑模自適應(yīng)控制算法，對(duì)近距 離航天器相對(duì)軌道的魯棒自適應(yīng)控制問(wèn)題進(jìn)行了研究。該文獻(xiàn)不考慮航天器主動(dòng)姿態(tài)機(jī) 動(dòng)，因而航天器的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度都比較小，故只需考慮航天器的相對(duì)軌道控制問(wèn)題。首先，定 義目標(biāo)星和跟蹤星的相對(duì)位置和相對(duì)速度誤差向量，通過(guò)相對(duì)位置和相對(duì)速度誤差向量的 線性組合形成滑模變量。然后，考慮系統(tǒng)是否存在的干擾，分別設(shè)計(jì)了自適應(yīng)控制律。最后， 通過(guò)Lyapunov穩(wěn)定性理論證明了所設(shè)計(jì)的控制算法可以使系統(tǒng)漸近穩(wěn)定或者一致最終有 界穩(wěn)定。
[0012] 自適應(yīng)控制是指對(duì)衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制算法使之能適應(yīng)一定程度的參數(shù)不確 定性，即能修正自己的特性以適應(yīng)對(duì)象和擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性的變化。
[0013] 文獻(xiàn)[6](Mei J，Ren W，Ma G F. Distributed containment control for Lagrangian networks with parametric uncertainties under a directed graph[J]. Automatica, 2012, 48:653-659.)基于有向圖，對(duì)多Euler-Lagrange系統(tǒng)的分布式包含控 制問(wèn)題進(jìn)行了研究。對(duì)于每一個(gè)跟隨者，為了獲得領(lǐng)航者的速度信息和加速度信息，通過(guò)引 入符號(hào)函數(shù)設(shè)計(jì)了分布式速度觀測(cè)器和加速度觀測(cè)器，這兩種觀測(cè)器所得到的觀測(cè)變量可 以漸近收斂于領(lǐng)航者所圍成的動(dòng)態(tài)速度凸包和加速度凸包內(nèi)?？紤]系統(tǒng)存在參數(shù)不確定 性，通過(guò)參數(shù)線性化的假設(shè)，結(jié)合自適應(yīng)控制設(shè)計(jì)的分布式包含控制算法使系統(tǒng)的包含誤 差漸近收斂。
[0014] 文南犬[7] (Liu H，Li J F. Terminal sliding mode control for spacecraft formation Flying [ J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2009, 45(3):835-846.)
[0015] 基于主從式控制策略，設(shè)計(jì)了終端滑模控制算法，對(duì)航天器的編隊(duì)飛行問(wèn)題進(jìn)行 了研究。首先，在地球引力場(chǎng)范圍內(nèi)建立衛(wèi)星編隊(duì)飛行的相對(duì)軌道動(dòng)力學(xué)模型。然后以目 標(biāo)星和跟隨星相對(duì)位置誤差和速度誤差設(shè)計(jì)的終端滑模變量可以保證系統(tǒng)狀態(tài)一旦到達(dá) 滑模面后，相對(duì)跟蹤誤差便可以有限時(shí)間地趨向于零。最后，考慮系統(tǒng)受到不確知干擾的 情況下，基于符號(hào)函數(shù)設(shè)計(jì)的控制算法可以保證系統(tǒng)在初始條件下可以漸近地趨向去滑模 面，由于符號(hào)函數(shù)的抖振問(wèn)題，本文獻(xiàn)又提出了以連續(xù)飽和函數(shù)替代符號(hào)函數(shù)的改進(jìn)方法。
[0016]方案一
[0017]文獻(xiàn)[5](梅杰，馬廣富.近距離航天器相對(duì)軌道的魯棒自適應(yīng)控制[J].宇航學(xué) 報(bào)，2010, 31 (10) :2276-2282.)考慮衛(wèi)星間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)滑模自適應(yīng)控制算法，對(duì)近距 離航天器相對(duì)軌道的魯棒自適應(yīng)控制問(wèn)題進(jìn)行了研究。該文獻(xiàn)不考慮航天器主動(dòng)姿態(tài)機(jī) 動(dòng)，因而航天器的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度都比較小，故只需考慮航天器的相對(duì)軌道控制問(wèn)題。首先，定 義目標(biāo)星和跟蹤星的相對(duì)位置和相對(duì)速度誤差向量，通過(guò)相對(duì)位置和相對(duì)速度誤差向量的 線性組合形成滑模變量。然后，考慮系統(tǒng)是否存在的干擾，分別設(shè)計(jì)了自適應(yīng)控制律。最后， 通過(guò)Lyapunov穩(wěn)定性理論證明了所設(shè)計(jì)的控制算法可以使系統(tǒng)漸近穩(wěn)定或者一致最終有 界穩(wěn)定。
[0018] 方案具體內(nèi)容如下：
[0019] (1)兩星相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程
[0020] p=C(ft>. p, p) + [(J 1 [?x]Jf9)x]p +U+d (20)
[0021] (2)相關(guān)輔助變量設(shè)計(jì)
[0022] 首先分別定義相對(duì)位置誤差向量ei和相對(duì)速度誤差向量e 2
[0023]ei= P-P d (30)
[0024] = P~Pj (31)
[0025] 基于以上誤差向量，定義滑模變量s
[0026] s = e2+ke! (32)
[0027] (3)不考慮干擾情況下的自適應(yīng)控制算法
[0028] K-p,p) + [()x]p-KiCi -K2S-ke2-\-pdG3)
[0029] ￡ = _r[px].v|, 04)
[0030] 明顯該算法需要已知目標(biāo)軌跡的加速度信息。
[0031] (4)考慮干擾情況下的自適應(yīng)控制算法
[0032]