[发明专利]基于随机分布鲁棒优化的卫星编队保持SMPC算法

说明书

本发明公开了一种基于随机分布鲁棒优化的卫星编队保持SMPC算法，包括建立带随机外部扰动的卫星编队保持系统的数学模型，并进行凸优化处理，然后建立控制变量约束和状态变量约束以及度量随机外部扰动的不确定性的机会约束，然后采用随机分布鲁棒算法重构机会约束、控制变量约束和状态变量约束使其转换为可计算形式，然后建立当卫星编队出现位置偏移时快速回到轨道参考位置且耗能最小化的目标函数，并采用软件包CVX对目标函数求解得到控制输入序列，将该控制输入序列中的第一个变量作为卫星编队保持控制中当前时间的输入，来使卫星编队的队形保持在所在轨道并在出现位置偏移时快速回到理想位置。本发明与传统的模型预测控制方法相比，具有有效性和优越性。

技术领域

本发明涉及卫星控制技术领域，具体涉及一种基于随机分布鲁棒优化的卫星编队保持SMPC算法。

背景技术

卫星编队在气象、导航和勘测等方面发挥着越来越重要的作用[1]。现如今，由几颗小卫星共同协力工作、编队飞行已经逐步发展，它们共同组成一颗“虚拟大卫星”完成响应的任务。它们不仅可以代替单个大型空间飞行器的完成其功能，而且可以大大降低维护成本和故障风险，最大限度地消除卫星故障对勘测任务的影响。

当卫星在空间中以稳定队形飞行时，卫星可能受到大气阻力、地球非摄动力等随机扰动的影响。同时，这些扰动的准确概率分布往往是随机的，同时是不可知的。由于扰动的影响，卫星可能偏离原轨道，从而导致卫星编队队形发生变化。由于队形的变化，卫星在完成空间观测任务会受到一定的影响，降低任务完成质量和精度[2-4]。因此，有必要对卫星编队保持加以控制，用来减少非摄动力以及随机误差对卫星编队带来的不利影响，使编队卫星能够快速精准的恢复初始队形。目前，国内外对卫星编队的保持与控制方法的研究受到越来越多的重视。

国内外对卫星编队保持的研究主要包括以下方面：王鹏基[5]利用模糊控制的相关优势，将最优控制和模糊控制相结合进行卫星编队保持的研究。于平等[6] 设计了一套基于T-H方程的纯切向控制力恒推力控制算法。Starin S R[7]利用了 LQR设计队形保持控制率；于此同时，除了将卫星与卫星之间相对运动模型线性化之外，非线性控制方法也广泛应用于卫星编队与保持的控制中，并考虑将带有误差项的J2摄动控制方法应用于滑模控制算法中[8]。曹锡斌等[9]提出了一种基于相对根轨道数运动学方程的卫星编队与保持的模型预测控制算法。马光福等[10]人在卫星质量不确定的情况下，提出了一种基于一致性理论和星间通信的拓扑结构，设计了一种自适应协同控制速率对编队保持进行控制的方法。Ren W[11]提出了运用一致性算法对卫星编队保持进行研究。宋生民、郑忠等[12]研究了具有控制约束的编队飞行控制问题，利用反步法设计了鲁棒自适应控制率。

然而卫星编队保持存在着许多制约因素，且存在着许多约束条件，上述方法无法处理约束条件。为此，引入了模型预测控制(MPC)[13]。模型预测控制(MPC) 取得了令人瞩目的成就。MPC是一种有吸引力的解决多变量约束控制的方法，由于其概念简单，能够有效地处理多输入多输出、输入和状态、输出约束以及控制目标相互冲突的复杂系统动力学问题。目前，MPC在卫星编队保持中得到了广泛的应用。虽然MPC的滚动时域控制对系统不确定性具有鲁棒性，但其确定性约束处理不用于卫星编队保持处理不确定性约束。

参考文献：

[1]李亮,王洪,刘良玉.微小卫星星座与编队技术发展[J].空间电子技术,2017,14(1):1-3.

[2]林来兴,张小琳.纳型卫星编队飞行技术现状及发展趋势[J].航天器工程,2017,26(5):65-73.

[3]刘萌萌.卫星编队分布式协同跟踪与构型保持控制[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2016.

[4]崔文豪.J2摄动下的卫星编队队形重构与队形保持方法研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2019.

[5]王鹏基.空间飞行器编队飞行相对动力学与队形保持控制方法及应用研究[D].2004.