[发明专利]一种航天器集群的边界检测方法

说明书

本发明公开了一种航天器集群的边界检测方法，包括：输入集群所有N个航天器的位置矢量及星间通信距离约束；以待求的球心位置矢量作为优化变量，以星间通信距离约束的一半作为球形区域的半径约束，以球形区域包含的航天器的数量作为优化目标，建立优化模型；对所述优化模型迭代求解，得到球形区域内包含航天器数量最多的球心位置矢量；以求解得到的球心位置矢量作为中心，以星间通信距离约束的一半作为半径得到的球面区域记作集群边界。本发明给出的集群边界检测方法能够在事先不知道集群中心的情况下通过优化求解找到最佳的集群中心并进而确定出集群的边界；且计算模型简单、计算效率高，具有较强的问题适应性。

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的边界检测方法。

背景技术

航天器集群是一种由多颗航天器通过星间通信无线连接的空间分布式系统。航天器集群中的各航天器功能简单、能力有限，但彼此通过合作与协同可联合完成一些复杂的空间任务。例如上百颗微纳航天器通过安装小尺度的相机可虚拟构成一颗大型天文望远镜，从而实现天基物理观测。为确保合作的效率，集群中各航天器的相对位置不能离得太远，因此集群实际在轨运行时要求各航天器保持在一定的空间范围中。集群所占据的空间范围大小由航天器星间通信的能力限制。当集群内航天器间的实际距离超过了星间通信距离的最大值时，航天器之间将无法进行通信，进而无法完成合作与协同。为避免这种状况的出现，有必要在轨实时检测集群的当前边界以及位于边界内和边界外的航天器，从而为调节集群的空间范围做出指导。以往有关空间分布式系统(例如航天器编队飞行)的研究中，通常假设系统中存在某一颗航天器作为中心，其余航天器均按照一定距离约束分布于其周边。在这种情况下，系统的边界可通过以上述中心航天器为球心、以星间通信距离约束为直径的球面加以确定。然而，与上述分布式系统不同的是，由于集群中所有航天器的角色一般是相同的，不存在事先指定的集群中心，因而也不存在事先确定的集群边界。

如何根据当前集群中各航天器的位置分布找到一个合理的中心并确定出集群的边界是集群在轨应用的一个重要问题。由于尚未有关于集群边界检测的方法，这就给采用集群进行空间任务带来了很大的困难。

发明内容

针对现有技术中无法快速确定集群边界的问题，本发明的目的在于提供一种能够快速确定集群边界的方法，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：

一种航天器集群的边界检测方法，包括步骤如下：

S1，获取集群所有N个航天器的位置矢量及星间通信距离约束；

S2，以待求的球心位置矢量作为优化变量，以星间通信距离约束的一半作为球形区域的半径约束，以球形区域包含的航天器的数量作为优化目标，建立优化模型；

S3，采用优化方法对所述优化模型进行迭代求解，得到球形区域内包含航天器数量最多的球心位置矢量；

S4，以求解得到的球心位置矢量作为中心，以星间通信距离约束的一半作为半径得到的球面区域记作集群边界，进而确定位于边界内的航天器和边界外的航天器。

所述S1中的位置矢量X_i＝[x_i,y_i,z_i]^T包含三个位置坐标分量，其中x_i,y_i,z_i既表示在惯性坐标系中，也表示在相对运动坐标系中；具体表示在何种坐标系中，由集群执行的空间任务或用户的使用习惯确定。

所述S2中的球心位置矢量c＝[c_x,c_y,c_z]^T包含三个位置坐标分量。

所述S2中的优化模型具体为：