考虑时变拓扑和时变时滞的异构航天器编队完全分布式控制方法

本发明涉及异构航天器编队系统的完全分布式控制方法，属于航天器控制，具体涉及一种考虑时变拓扑和时变时滞的异构航天器编队完全分布式控制方法。

背景技术：

1、异构航天器编队是指由不同类型或不同功能的航天器(如卫星、探测器、飞行器等)一起协同工作，它们在同一个编队中形成一个特定的整体构型，从而共同实现通信、观测和导航等任务。与单个航天器相比，多个较小异构航天器协同编队具有许多明显优势，例如：设计更加简单，构建更加迅速，更换成本更低，系统冗余度更高等。此外，多颗卫星共同运作，每个卫星负责收集特定波段的数据，以实现对地球观测的全面覆盖，往往能够获得更高的目标分辨率。因此，异构航天器编队的优势在于可以充分利用不同类型航天器的特性，实现更全面、更高效的任务执行。这些优点使得异构航天器编队在对地观测、天文观测及深空探测等领域具有重大应用前景，是未来航天任务的关键技术。

2、异构航天器编队系统的控制问题可以转化为输出调节问题。传统的控制方法所针对的系统模型大多不够全面，没有考虑编队任务中存在的一些实际情况：一方面，通讯拓扑网络可能是动态的，因为通信链路可能会随着时间的推移而发生故障或重新配置，这就使得传统的控制方法失去效用。另一方面，在实际过程中系统会不可避免的产生时滞，时滞会显著影响控制性能，如果在控制协议设计中处理不当，甚至会导致系统不稳定。通常有两种类型的时延影响航天器编队系统：由航天器之间的信息交互导致的时变通信延迟和每个航天器处理数据所需时间导致的输入延迟。

3、综上，目前的异构航天器编队系统的控制方法存在未考虑时变拓扑及时变时滞，导致控制性能差，系统不稳定，难以保证各个伴随卫星完成跟踪主航天器任务。

技术实现思路

1、本发明为克服现有技术，实现受时变拓扑和时变时滞影响的异构航天器编队任务，而提出一种考虑时变拓扑和时变时滞的异构航天器编队完全分布式控制方法。

2、本申请的考虑时变拓扑和时变时滞的异构航天器编队完全分布式控制方法包含以下步骤：

3、步骤一、建立具有互异输入时滞的伴随卫星编队的轨道动力学模型并得到其状态空间方程，建立待跟踪主航天器信号模型并得到其状态空间方程；

4、步骤二、为各个伴随卫星构建显式的完全分布式观测器，使得各个伴随卫星获取受时变通信时滞约束的主航天器状态信息；

5、步骤三、基于参量lyapunov方程的正定解和时滞调节方程的解，分别设计显式的线性状态反馈增益和前馈增益，利用状态反馈增益、前馈增益和所述完全分布式观测器，针对受时变拓扑和时变时滞影响的伴随卫星编队系统，建立对应的完全分布式控制协议，保证各个伴随卫星完成跟踪主航天器任务。

6、本发明相比现有技术的有益效果是：

7、本发明针对受时变拓扑和时变时滞影响的异构航天器编队系统提出完全分布式控制方法的最显著优点有三个方面。首先，所考虑的系统更全面，其允许航天器是异构的、通信拓扑网络是时变且系统存在任意大但有界的不同时变通讯时滞和输入时滞。其次，所提出的控制协议是完全分布式的，不需要伴随卫星与主航天器之间的全局通讯拓扑信息，这表明本发明具有更强的鲁棒性。最后，通过对具有时变拓扑和时变时滞的异构航天器编队系统进行仿真，表明所设计的完全分布式控制协议，实现了伴随卫星跟踪主航天器的任务。

8、本申请方法控制性能好，异构航天器编队系统运行稳定，因此，针对具有时变拓扑和时变时滞的异构航天器编队设计完全分布式控制方法具有重要的理论与工程意义。

9、下面结合附图和实施方式对本发明作进一步地说明：

技术特征：

1.考虑时变拓扑和时变时滞的异构航天器编队完全分布式控制方法，其特征在于：包含以下步骤：

2.根据权利要求1所述的考虑时变拓扑和时变时滞的异构航天器编队完全分布式控制方法，其特征在于，所述步骤一的具体过程为：

3.根据权利要求2所述的考虑时变拓扑和时变时滞的异构航天器编队完全分布式控制方法，其特征在于：所述步骤二中为各个伴随卫星构建显式的完全分布式观测器的表达式为：

4.根据权利要求3所述的考虑时变拓扑和时变时滞的异构航天器编队完全分布式控制方法，其特征在于：所述步骤三中基于参量lyapunov方程的正定解，设计显式的线性状态反馈增益的过程为：

5.根据权利要求4所述的考虑时变拓扑和时变时滞的异构航天器编队完全分布式控制方法，其特征在于：所述步骤三中基于时滞调节方程的解，设计显式的前馈增益的过程为：

6.根据权利要求5所述的考虑时变拓扑和时变时滞的异构航天器编队完全分布式控制方法，其特征在于：所述步骤三中利用状态反馈增益、前馈增益和所述完全分布式观测器，针对受时变拓扑和时变时滞影响的伴随卫星编队系统，建立对应的完全分布式控制协议的过程为：

技术总结考虑时变拓扑和时变时滞的异构航天器编队完全分布式控制方法，所述方法包含建立具有互异输入时滞的伴随卫星编队的轨道动力学模型并得到其状态空间方程，建立待跟踪主航天器信号模型并得到其状态空间方程；为各个伴随卫星构建显式的完全分布式观测器，以获取受时变通信时滞约束的主航天器状态信息；分别设计显式的线性状态反馈增益和前馈增益，利用所述状态反馈增益、所述前馈增益和所述完全分布式观测器，针对受时变拓扑和时变时滞影响的伴随卫星编队系统，建立对应的完全分布式控制协议，保证各个伴随卫星完成跟踪主航天器任务。本发明控制性能好，使得异构航天器编队系统运行稳定，实现了伴随卫星跟踪主航天器的任务。技术研发人员：李朝艳,张立轩,张凯,周彬受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学技术研发日：技术公布日：2024/7/18