基于仿生的微纳卫星集群协同控制研究

发布时间：2020-08-02 05:44

【摘要】：微小卫星研发成本低、设计周期短、功能密度高,构成集群协同执行任务可以实现超越大型平台的功用,被广泛应用于空间领域。微纳卫星集群的出现除了很明显给地面测控带来压力外,星群的协同控制将会是影响星群应用的关键问题。星群成员数量上的大规模化,使得对星群协同控制的智能性、自主性、自适应性和鲁棒性等方面的提出了更高要求。自然界中普遍存在的生物集群经过长期演化其行为已形成最优,将生物集群行为机制与卫星集群协同控制结合,研究仿生微纳星群协同控制,可以实现生物群智理论在卫星集群任务上的应用。本论文主要完成了如下工作:首先建立了模拟生物集群自组织有序行为的微纳星群运动模型。通过对微纳星群协同控制研究方法进行梳理,分析了生物集群与航天器集群之间的映射关系,基于人工势场法设计了仿生集群运动模型,并结合航天器集群的典型应用场景,仿真分析了星群构型对空间任务效率的影响。其次提出了微纳星群在有限空间表面均匀分布的评价模型和实现策略。为了实现集群空间均匀分布,在对比传统均匀性评价方法优缺点的基础上进行均匀性度量模型改进融合,结合任意空间区域表面边界约束优化了独占球理论和势函数方法,提出了一种改进独占球结合势函数的均匀度度量模型,结合仿真算例对空间有限区域表面集群分布均匀性的度量效果进行分析,并将集群均匀度度量结果反馈用于指导均匀分布实现,并进行仿真验证。最后完成了仿生微纳星群在轨道动力学下的协同控制仿真和分析。仿生微纳星群的协同控制必须结合轨道动力学才有意义,论文先详细分析了二体模型和J_2摄动下集群无控的相对运动漂移;鉴于J_2摄动导致的集群发散问题,对基于脉冲推力的仿生集群进行协同控制仿真,验证了仿生集群协同控制方法的有效性,并对从燃料消耗角度对控制方法的可行性进行了分析。通过上述三项研究,本论文基本建立了仿生微纳卫星集群的运动模型、均匀分布评价机制和实现策略,从轨道动力学的角度对上述方法进行了验证,较为完整的建立了仿生微纳星群的协同控制体系,为星群的工程化应用提供了一条思路。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V448.2
【图文】：

图1.2 A-Traint 示意图terferometer Space Antenna)是美国航天局和欧空局于 200项目，该计划用于验证广义相对论中预测的时间波动的存，运行轨道为与地球相同的日心轨道，如图 1.3 所示，L形金铂合金质量块，保证卫星可以在不受干扰影响的情der 在 2015 年底发射成功[6]

于卫星均在当地时间每天下午 1：30 左右经过赤道，故）（如图 1.2）。图1.2 A-Traint 示意图rferometer Space Antenna)是美国航天局和欧空局于 200目，该计划用于验证广义相对论中预测的时间波动的存运行轨道为与地球相同的日心轨道，如图 1.3 所示，L金铂合金质量块，保证卫星可以在不受干扰影响的情况er 在 2015 年底发射成功[6]

基于仿生的微纳卫星集群协同控制研究4图1.4 天琴计划示意图1.2.1.2 卫星集群任务(1)ANTS 计划美国国家航空航天局（NASA）受昆虫社会行为启发提出一种探测小行星带的卫星集群系统（ANTS）[8]，如图 1.5 所示。火星与木星轨道间空间环境恶劣，据估计约存在有 50 万颗小行星，大卫星难以对其进行有效探索。ANTS 系统的任务就是利用价格低廉的皮卫星群完成探测，该系统由 1000 颗皮卫星组成，通过将群卫星系统划分不同等级，各卫星搭载不同载荷，利用群智能技术，实现信息共享与协调工作。系统中设计有 80%的皮卫星是 worker ，它们搭载不同的载荷和仪器用于观测任务

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本文编号：2778238