[发明专利]一种航天器集群拓扑连通性的快速预报方法

说明书

本发明公开了一种航天器集群拓扑连通性的快速预报方法，包括：输入连通性距离约束、集群内航天器数量及各航天器初始轨道根数；根据星间距离解析模型计算临界连通时刻序列；由临界连通时刻序列划分连通性预报时间区间；根据连通性预报时间区间计算集群拓扑；采用图模型描述集群拓扑并由邻接矩阵计算集群拓扑连通性。本发明采用了解析模型及矩阵计算方法，能够对集群拓扑进行高效推演计算，实现了在轨实时应用过程的快速预报。

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，尤其涉及一种航天器集群拓扑连通性的快速预报方法。

背景技术

航天器集群是近年来新出现的一种分布式空间系统架构，它由多个航天器采用松散的编队飞行构型实现。航天器集群中的多个航天器之间具有紧密的信息交互，以便为完成协同控制提供相对导航信息与任务指令。这种信息交互需要依赖一定的星间通信设备，并通过在轨构建无线自组织网络来实现。受通信功率、信道及容量等能力约束，航天器集群的星间通信距离是有限的。当星间距离超过星间通信所能允许的最大值时，航天器无法进行可靠的通信，因而也无法在这种情况下进行集群协同。现有研究表明，可采用图论的方法描述集群内航天器之间信息交互的关系。将航天器视作节点，将航天器间的信息交互视作边，则由节点和边构成拓扑图，称作航天器集群拓扑。由于航天器的运动受引力场影响，星间距离随时间不断变化。当星间距离超越最大通信距离时，航天器集群的拓扑发生跳变。航天器集群在轨正常工作的前提是其拓扑能够保持连通，即拓扑中任意两航天器之间存在一条通路，使得在星间无线通信网络的支持下各航天器可获得其它成员的信息。然而，现有文献资料尚未提供有效方法用于快速预报航天器集群拓扑及其连通性。当需要利用航天器集群进行导航共享与协同控制时，当前研究人员只能被动地在给定时刻的拓扑下进行分析与研究。这就大大限制了航天器集群的在轨应用。

因此，有必要结合航天器轨道动力学的相关理论，构建一种解析或半解析的方法，实现对航天器集群拓扑及其连通性随时间变化的快速计算与预报。

发明内容

针对现有技术中航天器集群无法快速计算与预报的问题，本发明的目的在于提供一种能够快速预报航天器集群拓扑连通性的方法，从而为航天器集群的在轨应用提供必要的理论基础。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种航天器集群拓扑连通性的快速预报方法，包括步骤如下：

S1，根据任务需求，定义任意两航天器直接连通的星间距离最大值

S2，根据初始时刻航天器的轨道根数，建立集群中航天器#j和航天器#k之间的星间距离函数d_jk(f)，其中j＝1,2,…,N，k＝1,2,…,N，j≠k；N为集群中航天器的总数；f为参考航天器的真近点角；

S3，对航天器#j和航天器#k建立临界连通距离约束方程

S4，根据临界连通距离约束方程，求解得到参考航天器一个轨道周期内的临界连通真近点角并进一步通过求解开普勒方程得到对应的临界连通时刻

S5，根据S4计算得到的临界连通时刻，求解航天器#j和航天器#k直接连通和不连通对应的时间区间；

S6，重复S2-S5，计算出所有航天器之间的临界连通时刻、直接连通对应的时间区间、直接不连通对应的时间区间；

S7，将S6计算得到的所有临界连通时刻按照大小顺序排列得到临界连通时刻序列，据此将参考航天器一个轨道周期分解为一系列的时间区间；针对每个时间区间，依据S6计算得到的两航天器直接连通时间区间、直接不连通时间区间，确定出各时间区间里对应的集群拓扑；

S8，对每个时间区间的集群拓扑，构建其对应的邻接矩阵，并通过邻接矩阵计算集群拓扑的连通性。

所述S2中的星间距离函数具体为：

其中：