基于凸优化理论的航天器群智能碰撞规避技术研究

发布时间：2017-08-01 20:22

  本文关键词：基于凸优化理论的航天器群智能碰撞规避技术研究

  更多相关文章： 航天器群 卫星编队 碰撞规避 凸优化 相对运动 模型预测控制

【摘要】：随着微机电、微电子技术与分布式卫星系统的发展以及空间在轨目标数量的不断增长,卫星朝着小型化、分布式协作、自主管理的方向发展。由微小卫星构成的航天器群是当前航天器编队技术的一个新的发展方向,而航天器群因空间任务需要在进行编队构形重构过程中因外界因素与不确定因素的影响,难免在重构过程中会发生星间的碰撞问题,因此星间的碰撞规避问题已经成为研究编队重构过程中一个重要课题。本文以运行在低地球轨道的航天器群为研究对象,(编队成员数大于等于10),针对航天器间的相对运动动力学模型、航天器群编队重构防碰撞轨迹规划和航天器群的模型预测控制进行了研究,通过数值仿真对其进行了验证。首先,通过对国内外关于碰撞规避问题相关文献的调研分析,对航天器群编队卫星空间碰撞规避的相关技术及其相关研究进展进行了全面的介绍。给出了编队卫星空间碰撞规避技术的框架结构、关键技术和涉及的相关理论问题,对碰撞规避主要技术问题的研究进展进行了综述。其次,定义了空间坐标系,基于C-W方程、轨道根数法与相对轨道要素法对航天器群编队飞行的相对运动进行了描述,并对相对运动方程的推导进行了描述,分析了动力学模型各自的特点。再次,假设在地球低轨近圆参考轨道下,根据高精度的相对运动方程结合凸优化理论,以燃料消耗最小为性能指标给出了航天器群重构防碰撞轨迹规划问题,通过对轨迹规划问题进行凸优化处理,进而将规划问题转化为凸优化问题,发展了离散的SCP算法,然后利用凸优化工具箱CVX进行求解。利用凸优化问题求解迅速的特点解决了群重构过程对于计算时间尽量小的特点。最后,由于航天器群成员数量较大,随着数量的增加,SCP算法所得到优化轨迹相对于期望值有较大的误差,所以利用模型预测控制滚动时域优化的特点,将SCP算法与MPC算法思想相结合,将优化时域缩小对问题进行滚动时域优化,并引入终端消耗函数来确保优化问题的收敛与可行。设计了MPC控制器给出了SCP-MPC算法,通过数值仿真验证了算法能够在存在干扰项的情况下与期望值间有较小的误差。
【关键词】：航天器群 卫星编队 碰撞规避 凸优化 相对运动 模型预测控制
【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】：2015
【分类号】：V448
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 注释表10-11
• 缩略词11-12
• 第一章 绪论12-23
• 1.1 研究背景和意义12-13
• 1.2 国内外编队飞行碰撞规避技术发展状况13-21
• 1.2.1 卫星编队应用现状13-15
• 1.2.2 卫星编队碰撞规避技术研究现状15-20
• 1.2.3 编队卫星相对运动描述研究现状20
• 1.2.4 编队卫星协同控制研究现状20-21
• 1.3 本文的主要研究工作21-23
• 第二章 航天器编队飞行相对运动动力学模型23-32
• 2.1 坐标系定义23-24
• 2.2 相对轨道动力学表述24-31
• 2.2.1 C-W方程24-26
• 2.2.2 T-H方程26
• 2.2.3 基于相对轨道要素的相对轨道运动方程26-31
• 2.3 本章小结31-32
• 第三章 基于凸优化理论的航天器群智能碰撞规避轨迹规划32-44
• 3.1 引言32
• 3.2 凸优化简介32-34
• 3.2.1 凸集及其实例33
• 3.2.2 凸优化问题的定义33-34
• 3.2.3 求解凸优化问题34
• 3.3 航天器群编队重构问题的描述34-36
• 3.3.1 系统模型34-35
• 3.3.2 目标函数35
• 3.3.3 碰撞规避数学描述35-36
• 3.4 序列凸规划（SCP）方法36-37
• 3.4.1 SCP算法描述36-37
• 3.5 问题的转化37-39
• 3.6 离散化的SCP算法39-40
• 3.7 仿真结果与分析40-43
• 3.7 本章小结43-44
• 第四章 基于SCP模型预测控制的航天器群编队队形重构控制44-52
• 4.1 引言44
• 4.2 基于离散时间的非线性预测控制的约束优化问题数学描述44-46
• 4.3 MPC控制器设计46-48
• 4.3.1 动力学模型的选择46
• 4.3.2 控制器46-48
• 4.4 数值仿真与结论48-51
• 4.5 本章小结51-52
• 第五章总结与展望52-54
• 5.1 本文总结52
• 5.2 研究展望52-54
• 参考文献54-57
• 致谢57-58
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文58-59

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本文编号：606036