卫星编队流调度的门控对齐策略研究

针对时间敏感网络(TSN)门控调度对相邻节点同步精度要求高,星间无线链路时延波动引起相邻节点门控开启出现偏差,导致业务流在多个卫星节点的调度不一致问题,提出了一种面向卫星编队流调度的门控对齐策略。首先,分析卫星编队中影响门控调度的因素,对业务流在端口的调度时间约束进行建模,并构建门控on/off列表模型;其次,设计在线滚动灰色预测算法对节点间链路时延进行预测,基于预测结果对相邻节点的门控列表偏差进行动态修正,确保多节点门控调度的一致性;最后,基于STK和EXata搭建卫星编队软件仿真场景,同时在现场可编程门阵列(FPGA)硬件平台上实现门控对齐策略。实验结果表明,所提策略能保障卫星编队中时敏业务流经过5跳卫星节点传输后时延为3782~3848μs、抖动稳定在30μs,比现有方案提升了20%。

基于APSO的微纳卫星编队轨迹规划方法

针对微纳卫星编队在指定时间内由初始构型到指定构型的路径规划问题,提出了一种基于自适应惯性权重粒子群优化(adaptive-inertial-weightedparticleswarmoptimization,APSO)算法的轨迹规划方法。首先,通过Radau伪谱法将轨迹规划的连续最优控制问题离散化为参数优化的非线性规划(nonlinear programming, NLP)问题;其次,采用APSO算法对NLP问题求解,避免了复杂梯度求解困难的问题,同时降低了计算量;最后,通过仿真实验表明,所提方法可在更短时间内求得满足约束条件的最优轨迹,以完成在线轨迹规划任务。

基于多目标蚁狮优化算法的月球InSAR卫星编队构型设计

本文研究了月球干涉合成孔径雷达(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)卫星编队构型设计问题。首先,建立了基于相对偏心率/相对倾角(eccentricity/inclination,E/I)矢量的月球InSAR卫星相对动力学模型。然后,研究了月球轨道摄动环境下的编队飞行长期稳定飞行条件。进一步,以相对测高精度和模糊高度为优化指标,同时考虑星间安全性,给出了月球InSAR卫星编队构型优化的目标函数。针对现有的研究方法难以解决构型设计的多目标问题,应用改进多目标蚁狮优化算法实现了月球InSAR卫星编队构型设计。仿真结果表明,其在基线使用率方面更优,从而验证了所提算法的适应性和有效性。

面向确定性传输的新型虚拟卫星编队方案

卫星编队飞行队形相对稳定,可有效支撑确定性传输,但其队形控制需要较大的实时计算开销,且不支持多业务的灵活部署。为此,基于广泛部署的低轨星座,提出了虚拟卫星编队方案,通过选取合适的卫星构建编队来实现时敏业务的确定性传输。首先,阐述了虚拟卫星编队的设计理念,分析了基于低轨星座设计编队的挑战和性能需求。然后,通过刻画星间链路的生存时间与距离变化率属性,构建编队节点选择模型,针对时敏业务需求设计虚拟卫星编队选择算法。最后,基于STK和Exata搭建卫星网络场景进行仿真验证,实验结果表明,所提方案能为时敏业务提供与卫星编队飞行相同的性能指标,且具有更灵活的业务部署能力。

基于ADDPG策略的超立方体卫星编队控制

针对大规模卫星高精度编队控制问题,提出了一种基于吸引法则的深度确定性策略梯度控制方法(attraction-based deep deterministic policy gradient,ADDPG)。首先阐述了超立方体拓扑编队拓扑构型特性,建立了卫星编队动力学模型,设计了超立方体卫星编队虚拟中心用于衡量编队整体飞行状态。为解决无模型深度强化学习的探索和扩展平衡问题,设计了ε-imitation动作选择策略方法,最终提出了基于ADDPG的卫星编队控制策略。算法不依赖于环境模型,通过充分利用已有信息,可以降低学习模型初期探索过程中的盲目试错。仿真结果表明ADDPG策略以较少的能量消耗达到更高的精度,相比知名算法在加快编队收敛速度的同时,误差减少5%以上,能量消耗减少7%以上,验证了算法的有效性。

面向卫星编队飞行的有线无线时隙融合调度方案研究

针对卫星编队飞行场景中星内有线和星间无线链路传输速率以及调度机制的差异性引起的时敏任务在星上转发时延不确定性的问题,该文提出一种有线无线融合的时隙调度方案。首先,分别构建星间无线链路传输速率、星间无线调度以及星内有线调度模型;其次,联合有线和无线链路传输速率以及二者时隙位置关系,建立有线无线融合调度与星上转发时延关联分析模型;最后,为确保时敏业务每次在星上传输的时延稳定性,在时延分析模型基础上以抖动最小为融合调度优化目标,并采用遗传禁忌搜索算法进行求解。仿真结果表明,相比于非融合调度方案,所提融合调度方案的抖动不高于40μs,转发时延平均降低了20%。

基于随机模型预测控制的卫星编队重构

针对卫星编队重构问题,提出了一种具有随机不确定性、推力约束和避障能力的随机模型预测控制(Stochastic model predictive control,SMPC)方法。由于不确定性的概率是有限的,足以违反约束条件,给随机不确定性的考虑带来了巨大的挑战。SMPC利用概率不确定性描述来定义机会约束,通过引入约束违反概率,为处理约束的随机效应提供了一种有效的方法,且上述方法仅需知道不确定性的均值和方差。将SMPC问题转化为确定性凸问题,提出了一种切比雪夫不等式,将机会约束转化为确定性约束。最后对卫星编队重构问题进行了数值模拟,验证了SMPC算法的可行性和优越性。

基于代理模型的卫星编队重构最短距离建模

针对编队卫星成员数量较多时,编队重构规划考虑碰撞规避会带来巨大的计算开销。为降低计算开销和提升优化效率,基于CW方程和双脉冲轨道机动策略,建立了能够快速预测编队卫星重构过程最短距离的多种代理模型,并基于三种不同大小的训练集,从模型精度和效率两方面进行了对比。结果表明,克里金(KRG)模型在各种代理模型中精度最高,而且随着训练量的增加,KRG和人工神经网络(ANN)模型的性能得到了明显改善,模型精度得到了一定的保证。研究还发现,尽管KRG模型预测时间高于其他代理模型,但与真实模型相比,其耗时仍然很短,因此可用于提高考虑避碰约束时卫星编队重构轨迹优化的效率。

卫星编队脉冲机动维持控制与策略

针对近地圆轨道卫星编队维持问题,开展了脉冲控制方案与维持控制策略研究,并搭建了仿真环境进行验证。根据相对轨道根数(relative orbital elements,ROEs)的状态转移方程,推导了各ROEs元素在J 2摄动下的漂移速率,并针对编队构型受到空间摄动的破坏问题,提出了两种不同的编队脉冲控制方案和维持策略。基于空间圆编队长期维持需求,建立了包括高精度轨道递推算法的任务仿真环境,从脉冲消耗与控制误差对提出的方案策略进行了分析讨论,验证了脉冲方案与维持策略的可行性。仿真结果表明,所提出的脉冲控制方案与维持策略具有较高的有效性及可靠性,可用于未来空间编队飞行任务。

卫星编队飞行动力学与控制研究

简要介绍了卫星编队飞行的动力学与控制研究的最新进展，对今后研究工作的重点提出了建议．

基于一致性算法的卫星编队姿轨耦合的协同控制

针对卫星编队一主多从结构的相对轨迹、姿态的协同控制问题,提出了一种基于Lyapunov方法的编队飞行协同控制策略。该控制策略将分布式控制思想引入卫星编队飞行的相对轨迹、姿态的动力学系统中,使各从星保持编队构型的同时沿期望轨迹相对主星绕飞。从理论上证明了系统的渐近稳定以及对外部干扰的抑制,并基于一致性算法理论定量地分析了通信拓扑结构为有向图情况下控制器参数的选择范围。此外,利用星星间的相对位置信息确定各从星的期望姿态和角速度,以确保对卫星编队进行姿态协同控制,达到跟踪同步的目的。最后将提出的算法应用于卫星三角形编队飞行的协同控制,仿真结果表明该方法的可行性与有效性,具有潜在的应用前景。

卫星编队飞行中C-W方程与轨道根数法的比较

目前卫星编队飞行动力学与控制的研究得到了广泛的重视,这些研究的理论主要是基于描述卫星相对运动的Clohessy＿Wiltshire(C＿W)方程· 但根据特例及定性分析,表明C＿W方程在初始条件的选取、解的周期性等方面与实际情况不符,从星的能量也不守恒· 以卫星轨道根数为基础,提出了卫星编队飞行中的相对轨道根数法,克服了C＿W方程的局限性,物理概念清楚,应用范围广,解的周期性成为自然结论· 在主星为小偏心率的情况下,得到了简化的相对运动方程· 最后对两种方法进行了比较。

无需角速度的含通信时延卫星编队飞行自适应姿态协同跟踪控制

针对编队卫星姿态协同跟踪控制中存在相异星间通信时变时间延迟的问题,提出了采用一阶滤波器来设计含通信时延的输出反馈控制器,并通过引入参数在线自适应辨识技术,以实现利用卫星姿态误差信息来实现对卫星的转动惯量进行在线估计.对于系统稳定性的分析,通过构造一新型Lyapunov函数,证明该控制器不仅能够有效地克服通信时间延迟对编队系统协同性的影响,同时可论证无需角速度信息反馈的闭环系统的有界稳定性.最后,将提出的算法应用于只需要角速度信息反馈的卫星编队飞行的协同控制,仿真结果表明该方法的可行性与有效性,具有实际的应用前景.

卫星编队飞行中相对轨道的J_2摄动分析

详细分析了J2摄动对编队卫星相对轨道构形的影响． J2摄动对相对轨道的影响分为相对轨道构形的漂移、相对轨道平面的章动和进动．首先,分析了相对轨道构形漂移速度、章动角速度和进动角速度的一阶近似表达式的数量级及其影响因素．其次,给出一个准则,来判断同一相对轨道的漂移和转动之间的关系．最后, 利用该准则,分析了主、从星的轨道根数差对相对轨道的漂移和转动的影响．

基于虚拟结构的卫星编队机动控制

针对某些航天任务在小卫星机动过程中需要保持编队构型,提出了利用虚拟结构解决三星编队机动控制问题。建立了虚拟结构坐标系,在机动过程中,三颗卫星视为一个虚拟刚体,保持编队构型。设计了虚拟结构的动力学和运动学控制器。动力学控制器包含编队队形反馈,实现对编队速度的控制。针对外加干扰,设计了姿态变结构控制器,利用李雅普诺夫方法证明了系统的稳定性。对三星编队机动进行仿真,实现了编队构型的保持,验证了方法的有效性。

卫星编队构型设计与轨道机动算法优化

卫星编队与轨道机动是完成在轨监视与捕获等空间任务的关键技术。针对追踪航天器在相对目标航天器的绕飞过程中特殊构型的编队飞行问题,提出了三种特殊的编队构型机动方案;针对近距离轨道逼近问题,分析了同平面轨道变轨策略和轨道转移能耗最优化问题,在此基础上给出了三脉冲升降轨机动方法,并可以根据需要将其扩展为N脉冲机动。以目标星运行轨道高度780 km为例进行仿真分析,结果表明平行四边形编队中追踪星在各交点处完成变轨所需的速度脉冲向量分别为0.1172m/s、0.1843 m/s,而花形编队和菱形编队中追踪星在各交点处完成变轨所需的速度脉冲向量均为0.1978m/s,从而验证了所提出方法的有效性。

卫星编队飞行相对轨道的摄动研究综述

卫星在编队飞行过程中总受到各种摄动力的作用,由于轨道摄动直接影响卫星的寿命,研究卫星编队飞行相对轨道的摄动问题具有重要的意义。本文综述了国内外有关编队飞行卫星相对轨道摄动问题的研究方法以及进展,最后针对目前相对轨道摄动的研究现状,指出了进一步的研究方向。

基于卫星编队InSAR空间同步对系统性能影响的分析

根据卫星编队条件下InSAR高程测量的要求,对空间同步的要求进行了研究。在此基础上,分析了空间同步对InSAR系统的高程测量精度和分辨率的影响。

椭圆参考轨道的卫星编队队形保持控制设计

以Lawden方程作为动力学模型,建立状态方程,利用线性二次型性能指标最优控制(LQR)对卫星编队队形进行保持控制。首先对近地轨道的主要摄动J2项摄动和大气阻力摄动进行描述,得到了影响编队队形的相对摄动的表达式。然后通过合理的选择控制加权矩阵R,用无约束的线性二次型优化方法解决了电推力火箭有控制约束的优化问题。仿真结果表明,这种控制方法是有效的。

一种基于卫星编队InSAR的基线检测方法

研究的是基于卫星编队InSAR的基线检测技术,利用高精度的地面实验场数据,对高动态、分布式卫星条件下合成孔径雷达系统的InSAR基线参数进行检测。通过分析,提出一种改进的基于基线线性拟合的基线检测方法,并采用ERS真实数据进行基线检测实验,通过比较检查点高程和进行精度分析表明,采用该基线检测方法基线精度有很大提高,具有很高的实际应用价值。