[发明专利]微纳航天器集群飞行控制系统及方法

说明书

本发明公开了一种微纳航天器集群飞行控制系统及方法，包括第一拓扑获取模块、第二拓扑获取模块、第三拓扑获取模块及节点辨识模块，所述第一拓扑获取模块根据微纳航天器之间的通信链路信息流确定出测控网络通信拓扑及测控网络动力学，所述第二拓扑获取模块根据微纳航天器自身状态节点之间的信息流确定出微纳航天器本体动力学网络拓扑，所述第三拓扑获取模块合并测控通信网络拓扑、微纳航天器本体动力学网络拓扑并确定出集群广义网络拓扑，所述节点辨识模块辨识出所述集群广义网络拓扑的最小驱动状态节点集。该集群飞行控制系统能够实现对测控接口节点的自动选择和微纳航天器上推力器的优化配置，从而能够有效保证集群飞行的可控性和控制性能。

技术领域

本发明涉及微纳航天器领域，尤其是关于一种能够在轨组网形成集群飞行的微纳航天器。

背景技术

微纳航天器结构简单、开发与发射成本低廉，且能够在轨组网形成集群飞行，是未来航天器发展的重要方向。

由于微纳星微型化与模块化的物理结构特征，使得其自身的飞行控制执行能力受到很大制约。这种微纳星控制能力的限制对集群飞行的制约主要体现在信息约束与物理约束两个方面：一是信息约束，由于微纳星的能源供给能力及信息数据处理能力受限，其微纳星间无线通信的带宽与范围均受到限制，因此必须要求集群飞行测控通信网络(简称测控网络)中的通信链路规模及测控接口星(即地面可测控微纳星)数量最小；二是物理约束，由于微纳星载荷能力的限制，必然要求微纳星以最少的控制执行机构(推力器)与敏感机构(敏感器)的配置来满足集群飞行的测控要求。这种微纳星信息物理特征对集群飞行测控网络拓扑结构与测控接口、星体推力器与敏感器的配置限制，给微纳航天器集群飞行的网络测控总体设计带来很大挑战。

目前针对以上制约因素，对于微纳星数目较多的集群飞行测控网络拓扑结构、测控接口星选择，仍然缺乏指标依据及系统性、通用性的一体化设计技术，且基于传统全自由度控制驱动的星体推力器与敏感器配置方法，也难以适应微纳星的星体载荷空间狭小所带来的低载荷能力、高任务密度的总体设计约束。这导致较大数量规模微纳航天器集群网络的测控难度大、轨道布设与运行成本高，且微纳航天器集群测控网络的测控性能难以保证，这两个技术难题的存在成为微纳航天器集群飞行实现与应用的掣肘因素。

发明内容

本发明提供一种新的微纳航天器集群飞行控制系统及方法。

本发明提供一种微纳航天器集群飞行控制系统，包括第一拓扑获取模块、第二拓扑获取模块、第三拓扑获取模块及节点辨识模块，所述第一拓扑获取模块根据微纳航天器之间的通信链路信息流确定出测控网络通信拓扑及测控网络动力学，所述第二拓扑获取模块根据微纳航天器自身状态节点之间的信息流确定出本体动力学网络拓扑，所述第三拓扑获取模块根据两个所述动力学的耦合关系合并所述测控通信网络拓扑、本体动力学网络拓扑并确定出集群广义网络拓扑，所述节点辨识模块辨识出所述集群广义网络拓扑的最小驱动状态节点集，所述该最小驱动状态节点集中的节点是测控接口节点及推力器配置的状态节点。

集群飞行中，每个微纳航天器也可以视为测控网络中一个微纳航天器本体动力学节点。各微纳航天器之间通过通信链路进行通信。根据测控网络拓扑，可以确定出测控接口节点，该测控接口节点即能够用于接收网络控制输入信号。

每个所述微纳航天器对应多组推力器。每组推力器可以包括径向推力器、航向推力器及法向推力器，经过节点辨识后，如径向冗余，则每组的径向推力器均可以省略。

一种微纳航天器集群飞行控制方法，包括如下进程：

a)根据所述微纳航天器之间的通信链路信息流构建测控网络通信拓扑及测控网络动力学；

b)根据所述微纳航天器自身状态节点之间的信息流构建本体动力学网络拓扑；

c)根据测控网络动力学与本体动力学的耦合关系，合并所述测控网络通信拓扑和动力学网络拓扑而构建集群广义网络拓扑；

d)辨识出所述集群广义网络拓扑的最小驱动状态节点集。