深空航天器编队队形及姿态协同控制

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1、第31卷第4期计算机仿真2014年4月文章编号：1006—9348(2014)04一0060一05深空航天器编队队形及姿态协同控制慕昆，于海鹏(河南工程学院计算机科学与工程学院，河南郑州451191)摘要：研究深空中包含位置和姿态的航天器编队控制问题。由于航天器之间通信缺乏足够的通信链，造成效率不高，成本加大。采用图论的方法描述编队中航天器间的通信并给出一个控制算法，运用Lyapunov稳定性理论证明编队在给定控制算法下的稳定性。得到的控制器仅仅要求相邻的航天器之间保持信息交换，减少了整个航天器网络的通信。数值仿真结果验证了控制算法的有效性，为深空航天器

2、编队优化提供了依据。关键词：编队控制；图论；通信链结；深空中图分类号：TP273文献标识码：BFormationandAttitudeConsensusControlforSpacecraftinDeepSpaceMUKun，YUHai—peng(DepartmentofComputerScienceandEngineering，HenaninstituteofEngineering，ZhengzhouHenan451191，China)ABSTRACT：Thispaperconsiderdtheformationcontrolproblemsofspa

3、cecraftformationflyingindeepspace．Thecommunicationlinksamongspacecraftintheformationwerorepresentedbygraphtheoryandacontrolalgorithmwasgiven．ThestabilityofthewholeformationundertheproposedcontroUerwasprovedbyLyapunovtheorem．Thecon-trolleronlyrequiresthecommunicationlinksbetweenth

4、eneighboringspacecraftandthereforereducesthewholecom-municationcostsoftheformation．Simulationresultsdemonstratetheeffectivenessoftheproposedcontroller．KEYWORDS：Formationcontrol；Graphtheory；Communicationlinks；Deep—spacel引言航天器编队飞行是由多颗互相合作协同完成特定工作的航天器组成的具有特定构型的航天器组，整个航天器组共同实现传统的单颗大航

5、天器的功能，具有费用低、性能好、可靠性高和适应性强等许多优点。由于航天器在执行在轨飞行任务时需要协同工作这就给航天器控制问题提出了许多新要求，因此，设计一个好的控制算法已经成为航天器编队控制的热点问题。根据特定的空间探测任务所处的外部工作环境，航天器的编队飞行任务主要分为两种：近地编队飞行和深空编队飞行。近地飞行国内外已经有很多成熟的研究成果和相关的工程实践，例如TechSat21⋯和EarthObserving一1旧1。在深空环境下的航天器的相对位置动力学可以视为一个双积分。随着11PF∞J，Starlight[41和Darwin”1等深空项目的开展，

6、对于深空编队飞行控制方法的研究已经成为编队飞行控制的重基金项目：国家自然科学基金重点项目(10972059)收稿日期：2013—07—15修回日期：2013—07—30—60一要课题。本文研究处于深空中的航天器编队的控制问题。编队构形通常决定于编队中航天器的协作模式，文献[6]将其分为五种模式：leader—follower，behavioral，virtualstructure，cyclic和MIMO，这些分类实质上是基于编队中航天器的通信拓扑结构。在编队飞行应用中，通常需要最小化通信链结，因为数据传输是深空探测任务中必须考虑的重要问题【7J：在计算和

7、通信间进行取舍时的计算成本相对比较便宜。然而，缺乏足够的通信链结也会出现许多严重的问题，因此设计一个既满足工程要求又节省通信成本的控制算法是一个成功编队飞行的关键。图论的方法可应用编队控制来减少整个编队的通信成本。文献[8]中为航天器的姿态排列设计了一个耦合的控制器，文献[9]为一个基于均衡的有向图的网络系统设计了一个控制器，这些控制器均能很好地实现控制目标。文献[10]研究了一个由单轮车组成的编队通信图的充分必要条件，文献[11]研究了多机器人系统的路径规划问题，文献[12]研究了多智能体系统的路径规划问题和通信网络流。本文采用基于图论的方法扩展了文献

8、[10]的结果，在文献[10]中得到的控制器要求所有航天器之间进行信息交换，并且