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基于Cartwheel构型的微推力卫星高精度编队系统

杨博 赵晓涛 苗峻 刘旭辉 龙军

杨博, 赵晓涛, 苗峻, 等 . 基于Cartwheel构型的微推力卫星高精度编队系统[J]. 北京航空航天大学学报, 2018, 44(6): 1147-1155. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0463
引用本文: 杨博, 赵晓涛, 苗峻, 等 . 基于Cartwheel构型的微推力卫星高精度编队系统[J]. 北京航空航天大学学报, 2018, 44(6): 1147-1155. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0463
YANG Bo, ZHAO Xiaotao, MIAO Jun, et al. Micro-thrust high-precision satellite formation system based on Cartwheel configuration[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2018, 44(6): 1147-1155. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0463(in Chinese)
Citation: YANG Bo, ZHAO Xiaotao, MIAO Jun, et al. Micro-thrust high-precision satellite formation system based on Cartwheel configuration[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2018, 44(6): 1147-1155. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0463(in Chinese)

基于Cartwheel构型的微推力卫星高精度编队系统

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0463
详细信息
    作者简介:

    杨博  女, 博士, 副教授。主要研究方向:航天器天文自主导航技术等

    赵晓涛  男, 硕士研究生。主要研究方向:导航制导与控制

    苗峻  男, 博士研究生。主要研究方向:导航制导与控制

    通讯作者:

    杨博, E-mail:yangbo@buaa.edu.cn

  • 中图分类号: V448.2

Micro-thrust high-precision satellite formation system based on Cartwheel configuration

More Information
  • 摘要:

    近距离协同工作的微推力器卫星编队能更好地完成高精度空天卫星编队任务。但摄动等干扰因素会导致编队卫星间保持特定的几何构型和相对运动关系发生不确定性变化,因此有必要设计一种编队构型和信息拓扑结构以实现卫星编队的长期高精度保持。同时微推力器的作用环境要求卫星编队系统更高的可靠性和快速性。为此,基于Cartwheel构型对微推力卫星编队系统进行了研究,设计了一种能够满足系统性能要求的拓扑网络结构,并据此对卫星编队构型进行修正。提出了基于粒子群优化(PSO)算法的在线轨迹优化算法,并将其应用于卫星编队保持控制系统之中,实现了高精度、低能耗的快速稳定控制。

     

  • 图 1  主从星间的相对运动

    Figure 1.  Relative motion of target and follower

    图 2  Cartwheel构型空间示意图

    Figure 2.  Space schematic diagram of Cartwheel configuration

    图 3  4节点卫星编队常用拓扑结构

    Figure 3.  Common topological structure of satellite formation with four nodes

    图 4  拟采用的环形拓扑结构

    Figure 4.  Annular topologital structure to be used

    图 5  卫星j1j2推导卫星i的相对几何关系图

    Figure 5.  Relative geometric diagram for satellite i deduced by satellite j1 and j2

    图 6  卫星编队构型协同控制任务规划

    Figure 6.  Satellite formation configuration collaborative control mission planning

    图 7  基于PSO算法将控制任务重分配

    Figure 7.  Control task redistribution based on PSO algorithm

    图 8  Cartwheel构型编队三轴位置误差

    Figure 8.  Triaxial position error of Cartwheel Configuration formation

    图 9  Cartwheel构型编队三轴速度误差

    Figure 9.  Triaxial velocity error of Cartwheel Configuration formation

    图 10  不同导航误差对控制精度的影响

    Figure 10.  Influence of different navigation errors on control precision

    图 11  不同导航误差对推力器消耗的影响

    Figure 11.  Influence of different navigation errors on thrust consumption

    图 12  2种通信链路损坏示意图

    Figure 12.  Schematic diagram of two types of communication link damage

    表  1  Cartwheel构型编队4节点拓扑结构性能比较

    Table  1.   Topological structure performance comparison of Cartwheel configuration formation with four nodes

    结构 平均最短路径 拓扑可靠性
    星形 1.5 0.72
    环形 1.33 0.891 7
    网形 1 0.892
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    表  2  拓扑结构对编队构型的修正效果

    Table  2.   Effect of topological structure on formation configuration modification

    系统所受干扰 位置误差量级/m 速度误差量级/(m·s-1)
    仅加入时滞 10-12 10-15
    仅加入导航误差 10-6 10-6
    加入时滞和导航误差 10-6 10-6
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    表  3  地面事先规划所有目标点和实时PSO搜索目标点控制效果对比

    Table  3.   Control effect comparison between ground planning of all targets in advance and real-time searching of targets by PSO

    控制策略 位置精度/m 推力器消耗/(10-5N·s)
    地面事先规划 0.001 715 101 120 135
    0.001 833
    0.001 539
    实时PSO搜索 0.001 265 554 739
    0.001 517
    0.001 864
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    表  4  在线搜索算法对于解决通信链路损坏问题的效果

    Table  4.   Effect of online search algorithm on problem solution of communication link damage

    通信链路损坏情况 位置误差/m 推力器消耗/(10-5N·s)
    无通信损坏 0.001 265 554 739
    0.001 517
    0.001 864
    通信损坏1
    (与中心星无关)
    0.003 387 149 158 162
    0.003 451
    0.001 793
    通信损坏2
    (与中心星有关)
    0.002 755 265 258 269
    0.003 723
    0.002 245
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-07-10
  • 录用日期:  2018-10-20
  • 网络出版日期:  2018-06-20

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