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卫星集群星间链路拓扑设计与相对导航

Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics 2022年第4期39卷 415-424页

作者：王谦于丹南京航空航天大学航天学院南京211106

提出了一种基于星间测量与通信的卫星集群分布式相对导航方法,利用星间链路为相对导航提供星间测量并进行数据交换从而提高卫星集群系统的自主性。首先,考虑能量消耗和导航性能,将星间链路拓扑设计问题表述为一个多目标优化问题;此外,... 详细信息

提出了一种基于星间测量与通信的卫星集群分布式相对导航方法,利用星间链路为相对导航提供星间测量并进行数据交换从而提高卫星集群系统的自主性。首先,考虑能量消耗和导航性能,将星间链路拓扑设计问题表述为一个多目标优化问题;此外,卫星集群以分布式方式进行相对导航,每颗卫星对相邻卫星进行测量并通过星间链路与相邻卫星通信,从而降低了导航的能耗和计算复杂度。采用NSGA-Ⅱ算法求解星间链路拓扑优化问题并基于一致性卡尔曼滤波进行分布式相对导航。本文提出的方法可适应不同的任务,卫星可以随时加入和离开集群并且对单个卫星失效具有鲁棒性。最后,通过数值仿真验证了本文方法的可行性。

关键词：卫星集群相对导航星间链路网络拓扑多目标优化

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考虑通信延迟的卫星集群改进蜂拥控制

宇航学报 2022年第8期43卷 1097-1108页

作者：李思远叶东孙兆伟哈尔滨工业大学航天学院卫星技术研究所哈尔滨150001

针对卫星集群的无碰撞协同运动问题,提出了一种改进的蜂拥控制策略。首先,结合Prim算法和广度优先算法设计了一种计算度、半径约束最小生成树的拓扑优化方法,并将优化结果作为星群的通信拓扑。该方法不仅能够节省每个卫星的通信资源,还... 详细信息

针对卫星集群的无碰撞协同运动问题,提出了一种改进的蜂拥控制策略。首先,结合Prim算法和广度优先算法设计了一种计算度、半径约束最小生成树的拓扑优化方法,并将优化结果作为星群的通信拓扑。该方法不仅能够节省每个卫星的通信资源,还能够减少星群网络的通信延迟。随后,为提高参考轨迹生成的快速性,采用基于傅里叶级数的形状曲线逼近法对主星参考轨迹进行规划。在此基础之上,提出了一种考虑通信延迟与碰撞规避的蜂拥控制策略,使星群能够在保证通信连通性的前提下沿参考轨迹运动到目标点附近,并且在运动过程中不发生碰撞。经过理论分析,利用Lyapunov-Razumikhin定理证明了卫星集群系统能够达到渐近稳定。最后,通过数值仿真验证了所提控制策略的正确性和有效性。

关键词：卫星集群蜂拥控制拓扑优化通信延迟碰撞规避

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时变拓扑卫星集群分布式自主相对导航方法

宇航学报 2023年第1期44卷 119-131页

作者：李爽龚翼飞李克行刘旭曹凯王沙南京航空航天大学航天学院南京211106 北京控制工程研究所北京100094

针对时变拓扑卫星集群的相对导航需求,提出了基于图论的时变拓扑分布式一致性无迹卡尔曼滤波算法。首先给出了固定拓扑卫星集群的相对运动方程、测角测距测量模型和无迹卡尔曼滤波算法,然后考虑测角失效时相对导航系统不可观或弱可观的... 详细信息

针对时变拓扑卫星集群的相对导航需求,提出了基于图论的时变拓扑分布式一致性无迹卡尔曼滤波算法。首先给出了固定拓扑卫星集群的相对运动方程、测角测距测量模型和无迹卡尔曼滤波算法,然后考虑测角失效时相对导航系统不可观或弱可观的问题,结合矢量环一致性约束,构造了一致性无迹卡尔曼滤波算法,以提高系统的可观度;在此基础上,针对时变拓扑卫星集群,以滤波精度为优化指标,在图论的基础上利用Dijkstra算法对卫星集群的时变拓扑结构进行重构,并将重构后的拓扑结构应用于卫星集群相对导航。仿真结果表明所提算法能有效改善不完备测量带来的模糊轨道问题,并且能够实现实时的拓扑重构,以满足时变拓扑星群的相对导航精度要求。

关键词：卫星集群分布式相对导航图论时变拓扑一致性无迹卡尔曼滤波

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非对称博弈场景下卫星集群能力损耗建模方法

火力与指挥控制 2023年第9期48卷 14-19,25页

作者：李凌炜肖冰曹璐杨宝健西北工业大学自动化学院西安710129 军事科学院国防科技创新研究院北京100071

为解决经典模型无法精准描述非对称博弈场景下卫星集群能力损耗的问题,设计了一种新的卫星集群能力损耗模型。为平衡模型分辨率与计算复杂度的关系,将功能相同卫星集群视作基本对抗单元;进一步研究时间利用方式、侦察信息支援和电子干... 详细信息

为解决经典模型无法精准描述非对称博弈场景下卫星集群能力损耗的问题,设计了一种新的卫星集群能力损耗模型。为平衡模型分辨率与计算复杂度的关系,将功能相同卫星集群视作基本对抗单元;进一步研究时间利用方式、侦察信息支援和电子干扰对博弈结果的影响,构建非对称博弈场景下卫星集群能力损耗模型。最后,借助AnyLogic软件建立卫星集群博弈场景,将该模型与经典模型对比,验证了所建模型的合理性和精准性。

关键词：非对称博弈场景对抗仿真卫星集群 Lanchester方程能力损耗模型

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基于狼群优化的卫星集群对空间目标围捕方法

北京航空航天大学学报 2022年

作者：刘彦昊佘浩平蒙波黄剑斌黄良伟中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室北京理工大学宇航学院

卫星集群对空间目标形成围捕态势是空间轨道竞争研究非常重要的一个方面，围捕态势可有效支持卫星集群面向空间目标实施全方位强实时探测感知、多角度追逃博弈。现有对空间目标追逃问题的研究大多基于微分对策理论，建立一追一逃博弈模... 详细信息

卫星集群对空间目标形成围捕态势是空间轨道竞争研究非常重要的一个方面，围捕态势可有效支持卫星集群面向空间目标实施全方位强实时探测感知、多角度追逃博弈。现有对空间目标追逃问题的研究大多基于微分对策理论，建立一追一逃博弈模型进行求解。对于卫星集群协同配合，以群体形式实现围捕则是研究难点。针对由卫星集群围捕空间目标这一难题，提出了基于狼群优化算法的空间目标围捕方法，将围捕任务总时长离散为多个决策周期，设计了综合考虑集群位置分布、合围态势、燃料消耗与安全防撞的适应度函数，通过对每个决策周期卫星集群内各星推力矢量的协同优化，控制卫星集群接近空间目标并近似均布在以目标为球心的球面上。仿真结果表明：该方法能够快速获得卫星集群对空间目标围捕的机动策略，构建出集群围捕态势，有效支持空间轨道竞争任务。

关键词：卫星集群空间围捕狼群算法机动控制协同优化

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主从式卫星集群系统的长期轨道保持

宇航学报 2016年第11期37卷 1349-1355页

作者：陈瑛何朕李顺利哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001

针对主从式卫星集群系统的空间构型长期保持问题提出一种控制算法,使得多星系统能够在给定的相对距离约束下在轨长期运行,并且消耗较少的燃料。该卫星集群系统由一颗主星和多颗从星构成,主星保持在特定轨道上,负责系统中的数据处理、任... 详细信息

针对主从式卫星集群系统的空间构型长期保持问题提出一种控制算法,使得多星系统能够在给定的相对距离约束下在轨长期运行,并且消耗较少的燃料。该卫星集群系统由一颗主星和多颗从星构成,主星保持在特定轨道上,负责系统中的数据处理、任务规划及决策,从星围绕主星自由运动并实现特定功能。根据系统的特点,考虑主星与从星、从星与从星之间约束条件的异同,设计了具有较强适应性的控制逻辑与基于李雅普诺夫稳定性理论的控制器。仿真结果表明,在推力器最大推力一定的情况下,提出的控制算法能够有效地应用于多星集群飞行中,并成功地实现长期的轨道保持。

关键词：卫星集群距离约束控制算法轨道保持

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卫星集群系统的应用现状与发展动态

学术前沿 2018年第12期 80-91页

作者：闻新南京航空航天大学航天控制系

目前,小卫星发展非常之快,其研究备受世界各国高校的关注,甚至拓展到高中生的科技创新竞赛中。小卫星集群的概念在国际航天领域得到广泛关注,其发射过程已经从过去的搭载发射转化为共享发射。本文调查分析了近40个小卫星集群的应用案例... 详细信息

目前,小卫星发展非常之快,其研究备受世界各国高校的关注,甚至拓展到高中生的科技创新竞赛中。小卫星集群的概念在国际航天领域得到广泛关注,其发射过程已经从过去的搭载发射转化为共享发射。本文调查分析了近40个小卫星集群的应用案例,包括地球科学探索任务、深空探测任务,以及技术验证任务等,并根据它们的应用类型、集群规模,以及总体技术进行了综述。在此基础上,提出了未来小卫星集群飞行任务所面临的关键问题。最后,对未来小卫星集群任务发展方向进行了展望。

关键词：小卫星分布式卫星集群卫星系统

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卫星集群概率制导技术研究

卫星集群概率制导技术研究

作者：阚雪娇哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

相比早期编队飞行及多飞行器合作完成任务的方法,集群制导方法研究进展中最主要的挑战是飞行器的数量,当编队飞行所涉及的飞行器数量为10个或20个时,对应集群所期望包含的飞行器数量可达到数百甚至数千个。为解决飞行器数量众多的问题,... 详细信息

相比早期编队飞行及多飞行器合作完成任务的方法,集群制导方法研究进展中最主要的挑战是飞行器的数量,当编队飞行所涉及的飞行器数量为10个或20个时,对应集群所期望包含的飞行器数量可达到数百甚至数千个。为解决飞行器数量众多的问题,本文研究了概率制导方法,打破原有的常规编队方式,利用大数定律从概率的角度把集群看成一个可以被统计的单元,把飞行器数量之大这一研究问题转化为构型优势,最终实现集群期望构型。对在轨卫星集群进行应用概率制导算法进行空间密度分布研究前,在二维平面空间内对概率制导算法进行研究,根据“AARe ST”计划的实际研究,采用概率制导算法对卫星集群进行在轨空间构型,根据自身可转移的概率做出决策,做决策时仅基于自身当前状态,从而使集群整体最终实现在空间上的期望密度分布。本文采取两种不同的方式设计概率制导方法中的转移矩阵,一个是基于线性矩阵不等式（LMIs）,另一个是基于非均匀马尔可夫链（IMC）算法。LMI方法可以保证一个预期的收敛率,并可以使用最小化的成本函数来反映燃油的消耗情况,而IMC方法利用获取集群密度分布反馈增益规划下一步集群分布状态。此外,两种方法都具有自我修复能力,即对于当前的密度分布和期望密度分布存在差异时,集群中各卫星可自行进行移动以实现期望空间构型。

关键词：概率制导卫星集群线性矩阵不等式非均匀马尔可夫链

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主从式微纳卫星集群自主定位算法研究

主从式微纳卫星集群自主定位算法研究

作者：黄鹏飞哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着卫星技术的发展,单个卫星已经不能满足空间探索任务的需求。当前,微纳卫星集群广泛应用,为人们的生活提供了许多便利。为了充分利用卫星集群的优势,卫星集群需要在没有地面支持的情况下实现卫星相对卫星集群的自主定位。指纹定位具... 详细信息

随着卫星技术的发展,单个卫星已经不能满足空间探索任务的需求。当前,微纳卫星集群广泛应用,为人们的生活提供了许多便利。为了充分利用卫星集群的优势,卫星集群需要在没有地面支持的情况下实现卫星相对卫星集群的自主定位。指纹定位具有成本低廉,结构简单的优点,因此将指纹定位算法扩展到卫星群的自主定位中具有重要意义。因此,本文以位置指纹算法为基础,提出了一种主从式微纳卫星集群自主定位算法。本文针对传统位置指纹定位方法直接运用于卫星集群的定位中存在复杂度高、受到时间偏移的影响大的问题,提出了一种基于位置指纹的卫星集群分级定位算法。首先,在离线阶段通过传播模型的方式以大间隔建立稀疏Radio Map;其次,在定位阶段,成员星根据稀疏Radio Map进行粗定位,并根据粗定位结果确定精定位区域;最后,计算精定位区域的稠密Radio Map并再次定位。仿真结果表明,不存在时间偏移时,该算法在保持定位精度的同时能够有效减小空间复杂度和时间复杂度;当存在时间偏移时,分级定位算法能够在保持低复杂度的同时大幅减小时间偏移的影响。此外,针对卫星集群分级定位算法定位精度不高的问题,本文提出了一种基于二步拟合的卫星位置预测跟踪算法。首先,通过二步多项式拟合的方式确定成员星拟合轨迹,并将二步拟合轨迹和分级定位结果进行比较从而得到轨迹吻合度,并根据轨迹吻合度判断分级定位结果是否满足跟踪条件;其次,对满足跟踪条件的分级定位结果,通过建立跟踪Radio Map的方式对分级定位结果进行跟踪;最后,利用卡尔曼滤波算法进行滤波。仿真结果表明,预测跟踪算法能够对成员星进行有效的跟踪,并能够在分级定位的基础上显著提高卫星集群的定位精度。综上所述,本文在指纹定位的基础上,通过建立稀疏Radio Map和稠密Radio Map的方式对成员星进行分级定位,有效地减小了算法的复杂度,并能够抵抗时间偏移的影响。此外,通过二步拟合和建立跟踪Radio Map对成员星的轨迹进行预测和跟踪,能够有效提高成员星的定位精度。

关键词：卫星集群自主定位位置指纹分级定位预测跟踪