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基于状态相关黎卡提方程的集群航天器协同围捕非合作目标最优控制策略
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作者 程毅 赵坤 +2 位作者 吴明帅 尹卓 刘源 《上海航天(中英文)》 CSCD 2024年第5期121-129,共9页
随着航天技术的大力发展,空间安全日益成为航天领域的焦点问题。空间围捕在轨目标也将由单航天器的追捕向集群航天器协同围捕的趋势发展。本文针对多个航天器协同围捕空间非合作目标的典型场景,提出一种基于状态相关黎卡提方程的集群航... 随着航天技术的大力发展,空间安全日益成为航天领域的焦点问题。空间围捕在轨目标也将由单航天器的追捕向集群航天器协同围捕的趋势发展。本文针对多个航天器协同围捕空间非合作目标的典型场景,提出一种基于状态相关黎卡提方程的集群航天器协同围捕非合作目标的策略与方法。首先,基于航天器非线性相对运动模型,建立空间集群航天器协同围捕非合作目标运动学模型,并据此设计双方的二次型目标函数(相对距离与燃料消耗),将围捕问题转化成微分对策的纳什均衡问题。其次,通过求解状态黎卡提方程,获取集群航天器对单一非合作目标航天器的最优策略。在此基础上利用零空间投影方法,设计一种与距离相关的基于优先级的任务规划方案,以获得非合作目标航天器面对集群航天器时的逃逸策略,避免其对于集群多个航天器的逃逸策略冲突。最终通过数值仿真结果验证了所提协同围捕策略与方法的有效性。 展开更多
关键词 集群航天器 协同围捕 状态相关黎卡提方程 零空间投影
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集群航天器网络发展现状及关键技术 被引量:12
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作者 陈庆 张锦绣 曹喜滨 《哈尔滨工业大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第4期1-7,共7页
为研究新兴集群航天器网络的发展现状及其亟需解决的关键技术难题,对目前该领域的文献进行了分析与总结.集群航天器是一种通过无线链路进行信息交互的,多航天器间协同工作的新型航天器构架,服务于未来日益复杂多样的空间探索任务.首先,... 为研究新兴集群航天器网络的发展现状及其亟需解决的关键技术难题,对目前该领域的文献进行了分析与总结.集群航天器是一种通过无线链路进行信息交互的,多航天器间协同工作的新型航天器构架,服务于未来日益复杂多样的空间探索任务.首先,结合卫星集群的定义,明晰了集群航天器网络的概念.然后,分析目前分布式协同工作的空间探索任务,阐述了集群航天器的发展历程,并从图论和轨道动力学角度描述了集群航天器网络的特征.最后,总结了集群航天器网络发展过程中亟需解决的关键技术难题,包括网络拓扑控制技术、路由技术、空间互联协议技术、协议跨层资源调配技术等,并结合其他领域研究热点提出了相应的发展建议.研究表明,集群航天器网络的技术研究尚处于初始阶段,仍有许多技术难题亟需解决,同时,成熟的互联网、移动传感器网络等可作为关键技术难题突破的参考. 展开更多
关键词 集群航天器网络 拓扑控制 数据路由 空间互联协议 跨层资源调配
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基于无线网络的集群航天器控制系统重构技术研究 被引量:1
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作者 王训 王兆魁 张育林 《指挥与控制学报》 2015年第3期341-346,共6页
集群航天器由多个自主协同工作执行在轨任务的成员航天器构成,设计一种基于无线网络的集群航天器控制系统,除了成员航天器间采用无线网络通信,成员航天器内部同样采用无线网络通信,取代传统的CAN总线连接,同时提出了一种系统重构方案和... 集群航天器由多个自主协同工作执行在轨任务的成员航天器构成,设计一种基于无线网络的集群航天器控制系统,除了成员航天器间采用无线网络通信,成员航天器内部同样采用无线网络通信,取代传统的CAN总线连接,同时提出了一种系统重构方案和多线程设计方案,用以实现集群航天器的系统重构和功能增强,并通过实验演示了集群航天器系统的重构和功能增强的过程. 展开更多
关键词 集群航天器 无线网络 系统重构 多线程设计
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J2摄动下基于平均轨道要素差的集群航天器空间圆形编队设计
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作者 张朔 吴国强 《大连理工大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2015年第3期236-242,共7页
集群航天器是通过无线连接方式构成的虚拟航天器系统,考虑J2摄动下其在太阳同步轨道的空间圆形编队设计,对满足其模块间能量传输、数据交互的需要和应用需求具有重要意义.基于主、从模块平均轨道要素差建立了相对运动模型,并给出了空间... 集群航天器是通过无线连接方式构成的虚拟航天器系统,考虑J2摄动下其在太阳同步轨道的空间圆形编队设计,对满足其模块间能量传输、数据交互的需要和应用需求具有重要意义.基于主、从模块平均轨道要素差建立了相对运动模型,并给出了空间圆形编队的详细设计步骤;在零J2摄动条件不再适用时,通过定量分析J2摄动对该编队构形的影响,提出了相应的修正公式;将模块修正后的平均轨道要素转换为初始时刻密切轨道要素确定了初始编队构形.采用无奇点的新四元数轨道要素进行J2摄动分析,仿真结果验证了设计方法的有效性. 展开更多
关键词 J2摄动 平均轨道要素 集群航天器 空间圆形编队
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近地轨道集群航天器电磁编队飞行非线性反馈控制方法 被引量:1
5
作者 胡敏 曾国强 党朝辉 《空间科学学报》 CAS CSCD 北大核心 2012年第3期417-423,共7页
针对近地轨道集群航天器电磁编队飞行的动力学和控制问题,提出了一种非线性反馈控制方法.基于电磁力模型和地磁场模型,分析了地磁场对近地轨道电磁编队的影响;建立了集群航天器电磁编队高精度相对轨道动力学模型;基于Lyapunov稳定性理... 针对近地轨道集群航天器电磁编队飞行的动力学和控制问题,提出了一种非线性反馈控制方法.基于电磁力模型和地磁场模型,分析了地磁场对近地轨道电磁编队的影响;建立了集群航天器电磁编队高精度相对轨道动力学模型;基于Lyapunov稳定性理论设计了一种非线性反馈控制律,利用该方法对两星电磁编队维持控制进行了仿真验证.仿真结果表明,地磁场引起的电磁干扰力可以忽略,但是电磁干扰力矩的影响必须考虑;近地轨道集群航天器电磁编队是可控的,所设计的控制方法是可行的. 展开更多
关键词 近地轨道 集群航天器 电磁编队 地磁场 非线性反馈控制
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集群航天器球形边界控制 被引量:1
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作者 陈严波 韩笑冬 +1 位作者 姜斌 程月华 《空间控制技术与应用》 CSCD 北大核心 2019年第2期28-34,共7页
集群航天器由于其独特的优势,在未来航天任务中将举足轻重,其边界控制也随即成为研究热点.针对近距离伴飞的圆轨道集群航天器,以集群航天器蜂拥控制模型为基础,通过集群航天器球形边界的定义,运用粒子群优化算法,实现了稳定状态下集群... 集群航天器由于其独特的优势,在未来航天任务中将举足轻重,其边界控制也随即成为研究热点.针对近距离伴飞的圆轨道集群航天器,以集群航天器蜂拥控制模型为基础,通过集群航天器球形边界的定义,运用粒子群优化算法,实现了稳定状态下集群航天器的边界参数寻优.采用球形空腔势函数的控制方法,结合集群航天器边界参数反馈信息,实现了对集群航天器球形边界控制,并仿真验证了算法的可行性. 展开更多
关键词 集群航天器 边界控制 蜂拥控制 粒子 球形势函数
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集群航天器鲁棒自适应快速任务分配 被引量:1
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作者 张润德 蔡伟伟 +1 位作者 杨乐平 范大伟 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第8期1183-1194,共12页
针对集群航天器协同观测任务分配问题,提出一种基于深度神经网络和鲁棒自适应拍卖算法的快速任务分配策略。为提高燃料消耗指标的计算效率,利用深度神经网络直接预测连续推力转移轨迹的燃料消耗,避免在线规划相对运动轨迹。通过构造虚... 针对集群航天器协同观测任务分配问题,提出一种基于深度神经网络和鲁棒自适应拍卖算法的快速任务分配策略。为提高燃料消耗指标的计算效率,利用深度神经网络直接预测连续推力转移轨迹的燃料消耗,避免在线规划相对运动轨迹。通过构造虚拟收益矩阵和分配向量使得拍卖算法适用于航天器数与任务数目不一致的分配问题。为提高拍卖算法的收敛速度,提出报价增量自适应调整策略。考虑到通信失联、航天器故障等不确定因素,通过在线调整故障航天器的收益和报价矩阵以提高算法鲁棒性。数值仿真表明深度神经网络对燃料消耗指标预测精度高,基于深度神经网络和鲁棒自适应拍卖算法的快速任务分配策略可在保持计算精度的同时,将计算效率提升约两个数量级。 展开更多
关键词 集群航天器 任务分配 深度神经网络 分布式拍卖 凸优化
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基于终端滑模的集群航天器电磁编队有限时间控制 被引量:2
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作者 胡敏 曾国强 《航天控制》 CSCD 北大核心 2011年第6期22-27,33,共7页
针对集群航天器电磁编队系统强非线性的动力学特性,提出了一种基于非奇异终端滑模的有限时间控制方法。首先,建立了电磁力模型,分析了远场偶极子模型的适用范围;其次,建立了电磁编队动力学方程;接着,针对非线性动力学方程,设计了有限时... 针对集群航天器电磁编队系统强非线性的动力学特性,提出了一种基于非奇异终端滑模的有限时间控制方法。首先,建立了电磁力模型,分析了远场偶极子模型的适用范围;其次,建立了电磁编队动力学方程;接着,针对非线性动力学方程,设计了有限时间收敛的非奇异终端滑模面和控制律,使控制方法对电磁力模型不确定性具有鲁棒性,同时证明了系统状态可在有限时间内到达滑模面,而且也可在有限时间内收敛到零;最后,针对本文提出的方法进行了数值仿真。结果表明:当星间距离大于线圈半径的6.76倍时,远场偶极子模型的估计误差小于10%。基于终端滑模的有限时间控制方法相比线性二次型最优控制具有更快的收敛性能。 展开更多
关键词 集群航天器 电磁编队 磁偶极子 远场模型 终端滑模 有限时间收敛
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基于电磁力的集群航天器构形维持自抗扰控制 被引量:2
9
作者 杨茗棋 胡敏 +1 位作者 杨雅君 郭光衍 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第11期1204-1211,共8页
针对基于电磁力的集群航天器构形控制强非线性和模型不确定性的问题,提出一种无需线性化或解耦便能够实现构形维持的自抗扰控制方法(ADRC)。首先建立远场电磁力/力矩模型和集群航天器相对运动动力学模型;在此基础上,通过设计由最速跟踪... 针对基于电磁力的集群航天器构形控制强非线性和模型不确定性的问题,提出一种无需线性化或解耦便能够实现构形维持的自抗扰控制方法(ADRC)。首先建立远场电磁力/力矩模型和集群航天器相对运动动力学模型;在此基础上,通过设计由最速跟踪微分器(TD)、非线性扩张状态观测器(NLESO)及非线性反馈控制律(NLSEF)组成的自抗扰控制器,实现集群航天器期望相对运动位置、速度的实时估计,同时能够对模型不确定性和外部干扰进行估计和补偿。仿真结果表明,本文设计的控制器能够实现基于电磁力的集群航天器构形维持高精度控制,满足集群航天器构形维持控制的控制要求,其快速性和抗扰性都明显优于有限时间控制(FTC)。 展开更多
关键词 集群航天器 电磁力控制 构形维持 自抗扰控制 扩张状态观测器
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基于电磁力的集群航天器磁矩最优分配 被引量:1
10
作者 杨茗棋 胡敏 +1 位作者 郭光衍 徐家辉 《航天控制》 CSCD 北大核心 2018年第4期46-51,共6页
针对期望控制力到各航天器各轴线圈电流的磁矩分配问题,提出了一种基于电磁力的集群航天器磁矩最优分配方法,将磁矩分配问题转化为一个有约束的非线性优化问题,采用模拟退火算法实现两航天器各轴线圈中电流的最优分配,使包括地磁场干扰... 针对期望控制力到各航天器各轴线圈电流的磁矩分配问题,提出了一种基于电磁力的集群航天器磁矩最优分配方法,将磁矩分配问题转化为一个有约束的非线性优化问题,采用模拟退火算法实现两航天器各轴线圈中电流的最优分配,使包括地磁场干扰力矩和航天器之间干扰力矩的总干扰力矩最小。仿真分析验证了该方法能够通过电流的最优分配,实现磁矩最优分配,进而实现电磁力最优分配,耗能均衡,且能够更加快速得到电流的最优分配。 展开更多
关键词 集群航天器 电磁力控制 磁矩分配 非线性约束优化
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基于测地线的航天器集群隐蔽机动轨迹规划
11
作者 王璟贤 白玉铸 +3 位作者 陈致钧 郑中旭 赵勇 陈小前 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第4期513-522,共10页
针对航天器集群隐蔽机动问题,提出一种基于测地线的航天器集群轨迹规划方法。该方法将轨迹规划问题抽象到微分流形拓扑空间中,通过数学定义赋予空间结构度量。首先将集群的运动约束、避撞约束以及隐蔽构型约束等非凸约束集成到度量中,... 针对航天器集群隐蔽机动问题,提出一种基于测地线的航天器集群轨迹规划方法。该方法将轨迹规划问题抽象到微分流形拓扑空间中,通过数学定义赋予空间结构度量。首先将集群的运动约束、避撞约束以及隐蔽构型约束等非凸约束集成到度量中,避免增加系统维度的同时无需进行约束凸化处理。进一步定义了一个依赖于流形度量的目标泛函,利用同伦变换将泛函局部极值问题转为偏微分方程求解问题。数值仿真结果表明,相比于模型预测-序列凸规划算法,该方法在解决了隐蔽机动非凸多约束问题的同时,具有不依赖于初始猜想、集群内部隐蔽覆盖性高和系统控制输入小的特点,能够为航天器集群提供有效的隐蔽机动轨迹。 展开更多
关键词 航天器 测地线 隐蔽机动 轨迹规划 黎曼度量
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基于协同粒子群算法的航天器集群动态路径规划算法研究 被引量:8
12
作者 张震 方群 +2 位作者 宋金丰 张修玮 朱战霞 《西北工业大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第6期1222-1232,共11页
针对航天器集群在考虑障碍物规避前提下到达动态目标点的路径规划问题中,传统粒子群算法的搜索半径固定,会导致航天器在接近目标点时难以寻找到较优值的问题,将各成员航天器的轨道动力学问题转换为一种考虑约束下的最优化问题,提出了一... 针对航天器集群在考虑障碍物规避前提下到达动态目标点的路径规划问题中,传统粒子群算法的搜索半径固定,会导致航天器在接近目标点时难以寻找到较优值的问题,将各成员航天器的轨道动力学问题转换为一种考虑约束下的最优化问题,提出了一种基于协同粒子群算法(CPSO)的路径规划方法:提出一种随着航天器与目标点之间距离变化而改变搜索半径的动态半径搜索法,并以此对CPSO算法进行改进。改进的CPSO算法通过动态搜索半径自主寻找当前时刻各成员航天器的最优路径,从而得到三维空间中航天器集群动态路径规划问题的最优解。仿真结果表明,采用改进的CPSO算法不仅可以得到航天器集群动态路径规划问题的最优解,还可以大大减少其路径规划中的燃料消耗量,提高各成员航天器路径的稳定性。 展开更多
关键词 航天器 动态路径规划 协同粒子算法 动态搜索半径
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基于椭圆空腔虚拟势场的航天器集群控制方法 被引量:2
13
作者 安梅岩 王兆魁 张育林 《海军航空工程学院学报》 2016年第1期7-11,共5页
航天器集群由多个航天器在空间轨道上近距离飞行,进行信息交换,并相互协同共同完成空间任务。航天器集群作为智能集群在空间领域的表现形式,是智能集群的重要组成部分。当前,许多空间科学研究机构提出了多个航天器集群的研究计划,如ANT... 航天器集群由多个航天器在空间轨道上近距离飞行,进行信息交换,并相互协同共同完成空间任务。航天器集群作为智能集群在空间领域的表现形式,是智能集群的重要组成部分。当前,许多空间科学研究机构提出了多个航天器集群的研究计划,如ANTS计划、APIES计划等。文章以在小行星带探测航天器集群为研究对象,提出了航天器集群的自组织控制方法,利用虚拟势场力使得与这个参考航天器构成最大距离可控的空间构型,从而保证了航天器集群中的所有航天器共同构成松散空间构型。 展开更多
关键词 航天器 虚拟势场 自组织 松散空间构型
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航天器集群构形控制的虚拟弹簧阻尼网络方法 被引量:1
14
作者 陈琪锋 石永峰 许展鹏 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2015年第4期446-454,共9页
针对航天器集群质心相对运动构形控制问题,提出了一种基于虚拟弹簧阻尼网络的分布式控制方法。航天器间以虚拟的弹簧阻尼器相互连接,弹簧的原长根据期望的相对运动构形来设定。各航天器的控制输入是与其相连的所有弹簧阻尼器的合力。在... 针对航天器集群质心相对运动构形控制问题,提出了一种基于虚拟弹簧阻尼网络的分布式控制方法。航天器间以虚拟的弹簧阻尼器相互连接,弹簧的原长根据期望的相对运动构形来设定。各航天器的控制输入是与其相连的所有弹簧阻尼器的合力。在线性动力学模型和拓扑结构连通且固定的假设下,基于代数图论的方法推导出了闭环系统稳定性条件。对近地轨道上100个航天器形成格点相对运动构形和20个航天器形成时变距离的椭圆构形的实例进行了仿真,考虑了轨道摄动的影响,结果表明,集群通过虚拟弹簧阻尼网络控制可实现期望构形,并能达到厘米量级的构形保持控制精度。该控制方法不改变集群的质心,只需施加很小的控制加速度;仅基于局部的邻居交互,能够适应大规模集群对分布式控制的要求。 展开更多
关键词 航天器 编队飞行 编队控制 弹簧阻尼器
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基于可达域分析的空间非合作围捕构型设计
15
作者 李瑞峰 孙冲 +2 位作者 王政 方群 张翔 《中国空间科学技术(中英文)》 CSCD 北大核心 2024年第5期83-94,共12页
多个低成本航天器协同围捕空间高价值非合作目标是轨道博弈的典型场景。在考虑目标自主机动情况下,如何快速设计围捕构型以可靠高效地实现在轨围捕是目前尚未解决的关键问题。提出一种基于可达域分析的航天器集群围捕构型设计方法。首先... 多个低成本航天器协同围捕空间高价值非合作目标是轨道博弈的典型场景。在考虑目标自主机动情况下,如何快速设计围捕构型以可靠高效地实现在轨围捕是目前尚未解决的关键问题。提出一种基于可达域分析的航天器集群围捕构型设计方法。首先,建立围捕任务动力学模型,描述了集群围捕任务的条件,提出了基于连续推力机动可达域分析方法的多航天器协同围捕非合作目标的准则。进一步,采用最优控制理论求解航天器机动可达域,开展了可达域特性分析,提出了集群航天器协同可达域的半解析解。最后,提出一种4个航天器协同围捕构型设计方法。仿真结果验证了围捕构型设计方法的有效性,并与传统单航天器连续推力可达域求解方法对比,证明了可达域求解方法的可行性。 展开更多
关键词 可达域 航天器 围捕构型 最优控制理论 设计方法
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Reconfiguration of Spacecraft Cluster Based on Distributed Local Information
16
作者 YU Binggu WANG Shuquan 《Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics》 EI CSCD 2021年第4期704-712,共9页
The reconstruction of spacecraft cluster based on local information and distributed strategy is investigated.Each spacecraft is an intelligent individual that can detect information within a limited range and can dete... The reconstruction of spacecraft cluster based on local information and distributed strategy is investigated.Each spacecraft is an intelligent individual that can detect information within a limited range and can determine its behavior based on surrounding information.The objective of the cluster is to achieve the formation reconstruction with minimum fuel consumption.Based on the principle of dual pulse rendezvous maneuver,three target selection strategies are designed for collision avoidance.Strategy-1 determines the target point’s attribution according to the target’s distance when the target point conflicts and uses a unit pulse to avoid a collision.Strategy-2 changes the collision avoidance behavior.When two spacecraft meet more than once,the strategy switches the target points of the two spacecraft.In Strategy-3,the spacecraft closer to the target has higher priority in target allocation.Strategy-3 also switches the target points when two spacecraft encounter more than once.The three strategies for a given position,different completion times,and random position are compared.Numerical simulations show that all three strategies can accomplish the spacecraft cluster's reconfiguration under the specified requirements.Strategy-3 is better than Strategy-1 in all simulation cases in the sense of less fuel consumption with different completion times and given location,and it is more effective than Strategy-2 in most of the completion time.With a random initial position and given time,Strategy-3 is better than Strategy-1 in about 70%of the cases and more stable. 展开更多
关键词 spacecraft cluster formation reconstruction relative Lambert problem two-impulse rendezvous distributed maneuver
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