基于行为的航天器集群构形控制方法与影响机制研究

Satellite swarms are a new kind of satellites space configuration which developed based on the satellite formation. Because of the requirement of relative position control is flexible, the satellite swarms have important application value in future space tasks like fractionated spacecraft. It is difficult to solve the bottleneck problem that the burden of computation, navigation and communication system for the reference satellite is increased as the swarms sacle increased, with the current satellite sawrms control method. So, it is necessary to research new method for large scale space swarms control. The behavior based satellite swarms control method focused on the satellite swarms configuration control method from the point of social colony science. By assigning the reference satellite's working burden to each sub satellite, the resource of the satellite swarms can be optimized, meanwhile, the robustness, stability and dependability of the satellite swarms can be improved. The kinematic behavior mathematic model considering the space gravitation environment will be established. Then, the satellite swarms configuration control method based on the behavior control theory from the point of social colony science will be researched. We will study the influence mechanism of swarms control by navigation topological structure, individual differences and individual time delay, and the theory research will be demonstrated by the physical simulation experiment. The research present a new method for spacecraft swarms flight control technology.

航天器集群是在卫星编队基础上发展的一种新的空间多星组网结构，由于其对相对位置控制要求较灵活，因而在分离模块航天器等未来航天任务中有重要的应用价值。现有的航天器集群构形控制方法难以解决集群规模增大造成的参考卫星导航、计算及通信系统负担过重的瓶颈问题。因而，需要研究适合于大规模航天器集群构形控制的新方法。基于行为的航天器集群控制是从社会群体性的角度来研究航天器集群的构形控制问题，通过将参考卫星的工作负担分配到各子卫星中，能够优化集群内资源分配，提高集群控制的鲁棒性、可靠性和稳定性。 本项目通过建立空间引力环境下航天器集群的运动学行为数学模型，进而从社会群体性的角度研究基于行为的航天器集群构形控制方法，探索导航信息对集群行为控制的影响机制，揭示群体个体差异、个体时延等因素对集群行为控制的影响规律，并进行物理仿真验证，从而为航天器集群飞行控制提供了一种新的方法。

本项目针对航天器集群构形的控制问题，从社会群体性的角度出发，研究基于行为的集群构形控制方法，阐明集群行为控制性能的影响机制，提出了行为控制的物理仿真实验方法，主要工作包括：.1、提出了一种分离模块航天器整体集群构型的描述方法，能够直观地描述集群规模大小、集群间子星耦合关系、集群整体空域大小等关键参数，从而为航天器集群运动特性的分析和研究提供一种数学工具。.2、为了便于星间通信和相互测量，本项目提出一种基于树形生长结构的航天器集群结构，这种结构将航天器集群分为多个层，层与层间的卫星可以构建相对导航与通信链路。通过分层结构能够使得集群航天器有条理地分布，易于实现导航与控制回路的构建，此外，分层结构能够扩大后续层面的空域大小，对实现星间避碰有益。.3、针对近地轨道分离模块航天器集群异构特点，提出了一种稀疏编队队形设计方法。在将两颗星之间的相对轨道高度之差和相对纬度幅角之差作为优化变量，能够使得两颗面质比不同的卫星在较长时间内维持在容许的距离范围内。.4、针对航天器集群星间的导航信息传递与共享问题，研究了航天器集群的导航信息传递误差模型，分析了不同拓扑结构约束下，导航信息的传递误差。.5、针对航天器集群，提出了一种基于行为的航天器集群控制方法。首先定义各个体航天器的行为状态，包括聚拢行为，避碰行为，分散行为和保持行为，基于位置平衡理论产生期望速度，利用PD控制律实现期望速度的跟踪。仿真结果表明，基于行为控制方法，能够使得各卫星综合考虑总体的性能特性，实现了星间信息的高效共享与利用。.发表学术论文5篇，其中SCI收录3篇，Ei收录2篇，获批软件著作权2项，培养博士研究生2名，硕士研究生4名。.本项目的研究成果可以用分离模块航天器、卫星编队、空间太阳能电站等多星航天系统的构建和控制。