一種空間小型飛行器編隊(duì)飛行控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種空間小型飛行器編隊(duì)飛行控制系統(tǒng)，包括任務(wù)規(guī)劃模塊、隊(duì)形計(jì)算模塊、主飛行器控制模塊、編隊(duì)隊(duì)形控制模塊以及從飛行器控制模塊，其中：任務(wù)規(guī)劃模塊用于向隊(duì)形計(jì)算模塊發(fā)送使命空間特性和目標(biāo)特性，隊(duì)形計(jì)算模塊確定空間小型飛行器最優(yōu)編隊(duì)隊(duì)形，并將最優(yōu)編隊(duì)隊(duì)形發(fā)送給編隊(duì)隊(duì)形控制模塊，任務(wù)規(guī)劃模塊還用于直接向主飛行器發(fā)送指令飛行狀態(tài)，主飛行器控制模塊進(jìn)行飛行控制，得到實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，編隊(duì)隊(duì)形控制模塊計(jì)算得出從飛行器的指令運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并將計(jì)算結(jié)果發(fā)送給從飛行器控制模塊，從飛行器控制模塊進(jìn)行飛行控制，得到實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
【專利說(shuō)明】一種空間小型飛行器編隊(duì)飛行控制系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種空間小型飛行器，特別是涉及一種空間小型飛行器編隊(duì)飛行控制 系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]航天器編隊(duì)飛行是20世紀(jì)90年代后期隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、新材料、新能源技術(shù)的發(fā) 展而出現(xiàn)的一種新的航天器空間運(yùn)行模式。在有心力場(chǎng)中多顆軌道周期相同的航天器近距 離飛行，彼此之間可形成特定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌道，航天器之間互相協(xié)同，密切聯(lián)系，以分布方 式構(gòu)成一顆大的"虛擬衛(wèi)星"（或稱"分布式衛(wèi)星系統(tǒng)"，"分布式航天器系統(tǒng)"），從而產(chǎn)生系 統(tǒng)理論中所謂的"涌現(xiàn)"現(xiàn)象，性能上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)的單航天器系統(tǒng)。由于航天器編隊(duì)飛行 在探測(cè)、作戰(zhàn)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，從誕生之初就獲得了世界各航天大國(guó)的青睞，成 為當(dāng)今一大熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。
[0003] 編隊(duì)飛行控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)航天器編隊(duì)飛行的技術(shù)基礎(chǔ)。編隊(duì)飛行控制包括隊(duì)形保 持和隊(duì)形變換。目前編隊(duì)飛行控制研究已經(jīng)遍及殲擊機(jī)、無(wú)人機(jī)、衛(wèi)星等領(lǐng)域。飛行器編隊(duì) 飛行研究的熱門主要集中在航天器、飛機(jī)等方面，比較有代表性的是關(guān)于衛(wèi)星編隊(duì)飛行控 制的研究以及無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行控制研究。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是：針對(duì)單枚飛行器執(zhí)行空間任務(wù)能力不足，提出一種空 間小型飛行器編隊(duì)飛行控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多枚空間小型飛行器的協(xié)同作戰(zhàn)，提升了作戰(zhàn)效 能。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種空間小型飛行器編隊(duì)飛行控制系統(tǒng)，包括任務(wù)規(guī) 劃模塊、隊(duì)形計(jì)算模塊、主飛行器控制模塊、編隊(duì)隊(duì)形控制模塊以及從飛行器控制模塊，其 中：
[0006] 任務(wù)規(guī)劃模塊用于向隊(duì)形計(jì)算模塊實(shí)時(shí)發(fā)送使命空間特性和目標(biāo)分布特性；所述 使命空間特性包括隊(duì)形保持和隊(duì)形變換；
[0007] 隊(duì)形計(jì)算模塊根據(jù)任務(wù)規(guī)劃模塊發(fā)送的使命空間特性和目標(biāo)分布特性，確定空間 小型飛行器最優(yōu)編隊(duì)隊(duì)形；并將最優(yōu)編隊(duì)隊(duì)形指令發(fā)送給編隊(duì)隊(duì)形控制模塊；_
[0008] 任務(wù)規(guī)劃模塊還用于根據(jù)使命目標(biāo)空間特性和目標(biāo)分布特性向主飛行器控制模 塊發(fā)送主飛行器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)指令； _ _ >
[0009] 主飛行器控制模塊根據(jù)規(guī)劃模塊發(fā)出的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)指令，進(jìn)行對(duì)主飛行器的飛行控 制，得到實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；并將主飛行器的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)送給編隊(duì)隊(duì)形控制模土夬；
[0010] 編隊(duì)隊(duì)形控制模塊用于根據(jù)主飛行器控制模塊發(fā)送的主飛行器實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以 及由隊(duì)形計(jì)算模塊發(fā)送的最優(yōu)編隊(duì)隊(duì)形和所接收到的從飛行器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài):計(jì)算得出從飛 行器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)指令；并將計(jì)算所得從飛行器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)指令發(fā)送給從飛行控制模塊；一
[0011] 從飛行器控制模塊根據(jù)編隊(duì)飛行控制模塊發(fā)送的從飛行器的指令運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行 飛行控制，得到實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并將運(yùn)動(dòng)狀態(tài)反饋給編隊(duì)隊(duì)形控制模塊。
[0012] 所述最優(yōu)編隊(duì)隊(duì)形為集中式，所述集中式為以主飛行器為參照點(diǎn)，編隊(duì)中的每個(gè) 空間小型飛行器與該參考點(diǎn)的相對(duì)位置不變。
[0013] 所述最優(yōu)編隊(duì)隊(duì)形為分層式，所述分層式為將從飛行器分為若干個(gè)次級(jí)編隊(duì)，并 在每一個(gè)次級(jí)編隊(duì)中設(shè)定一個(gè)次級(jí)主飛行器，然后將各個(gè)編隊(duì)的次級(jí)主飛行器與所述主飛 行器作為一個(gè)編隊(duì)進(jìn)行控制。
[0014] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0015] (1)通過(guò)仿真分析，證明本發(fā)明提出的編隊(duì)飛行控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)空間小型飛行 器的快速組網(wǎng)編隊(duì)飛行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)編隊(duì)隊(duì)形的集中式與分層式隊(duì)形保持控制和隊(duì)形變換控 制。
[0016] ⑵提高了作戰(zhàn)性能，空間小型飛行器的編隊(duì)飛行可廣泛應(yīng)用于空間協(xié)同探測(cè)、偵 查、中繼傳輸、空間攻防等領(lǐng)域，具有巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景。
[0017] (3)提升了系統(tǒng)適應(yīng)性，空間小型飛行器編隊(duì)構(gòu)形大小與編隊(duì)中飛行器數(shù)目甚至 飛行器所攜帶的載荷都可以根據(jù)任務(wù)要求而進(jìn)行變化，只需在原飛行器基礎(chǔ)上適當(dāng)調(diào)整就 可以使飛行編隊(duì)獲得新功能或更高性能，從而以較短周期、較低成本和較高可靠性來(lái)完成 新舊任務(wù)更替。
[0018] (4)提高了系統(tǒng)的可靠性，由于編隊(duì)飛行系統(tǒng)由多枚空間小型飛行器組成，且在系 統(tǒng)設(shè)計(jì)階段考慮冗余度，如果系統(tǒng)中有一顆小型飛行器損壞，只會(huì)有與之相關(guān)的鏈路受影 響，而整個(gè)系統(tǒng)不會(huì)消亡，在及時(shí)將損壞的個(gè)體清除出系統(tǒng)后，通過(guò)重構(gòu)或者是補(bǔ)充新空間 小型飛行器即可使系統(tǒng)復(fù)原，從而使系統(tǒng)在遭受破壞時(shí)更具魯棒性。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1為本發(fā)明的空間小型飛行器相對(duì)坐標(biāo)示意圖；
[0020] 圖2a為本發(fā)明的空間小型飛行器集中式編隊(duì)飛行圖；
[0021]圖2b為本發(fā)明的空間小型飛行器分層式編隊(duì)飛行圖；
[0022]圖3為本發(fā)明的空間小型飛行器編隊(duì)飛行控制框圖；

【具體實(shí)施方式】
[0023] 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明予以說(shuō)明。
[0024] 編隊(duì)的飛行器因任務(wù)要求往往要保持其在隊(duì)列中的相對(duì)位置基本不變。一般的保 持策略是編隊(duì)中的每個(gè)空間小型飛行器保持與隊(duì)列中參考點(diǎn)的相對(duì)位置不變，本發(fā)明采用 以主飛行器為約定點(diǎn)的保持策略，也稱為跟隨保持。在空間小型飛行器數(shù)量較少時(shí)，采用集 中式控制，即編隊(duì)中的各個(gè)空間小飛行器相對(duì)于主飛行器的位置不變，圖2a為一臺(tái)主飛行 器和兩臺(tái)從飛行器組成的編隊(duì)飛行不意圖，圖中，兩臺(tái)從飛行器相對(duì)于一臺(tái)主飛行器的位 置不變；當(dāng)空間小型飛行器的數(shù)量較多時(shí)，應(yīng)用集中式的控制方法顯得十分繁瑣，而且隊(duì)形 變換時(shí)容易發(fā)生混亂，故采用分層式控制，即將從飛行器分為若干個(gè)次級(jí)編隊(duì)，并在每一個(gè) 次級(jí)編隊(duì)中設(shè)定一個(gè)次級(jí)主飛行器，然后將各個(gè)編隊(duì)的次級(jí)主飛行器與所述主飛行器作為 一個(gè)編隊(duì)進(jìn)行控制，即次級(jí)主飛行器相對(duì)于主飛行器的位置不變，次級(jí)編隊(duì)中的從飛行器 相對(duì)于次級(jí)主飛行器的位置不變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)編隊(duì)的有效控制。圖2b所示即為空間小型 飛行器分層式編隊(duì)飛行示意圖，其中，包括一個(gè)主飛行器、兩個(gè)次級(jí)主飛行器丨、2,主飛行器 與兩個(gè)次級(jí)主飛行器構(gòu)成一個(gè)飛行編隊(duì)，其中一個(gè)次級(jí)主飛行器與另外兩個(gè)從飛行器組成 一個(gè)次級(jí)飛行編隊(duì)。
[0025] 圖1所示為以一臺(tái)主飛行器及兩臺(tái)從屬飛行器組成的集中式隊(duì)形保持控制模型， 其中，主坐標(biāo)系Oi-XJA，該主坐標(biāo)系為航天領(lǐng)域常用的J2000坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)位于地心， X軸方向?yàn)榇悍贮c(diǎn)方向（春分點(diǎn)方向是指太陽(yáng)沿黃道從天赤道由南向北通過(guò)天赤道那一點(diǎn) 為春分點(diǎn)），z軸方向?yàn)檠氐厍蜃赞D(zhuǎn)軸指向北，Y軸與X軸和Z軸構(gòu)成右旋坐標(biāo)系；以下主從 飛行器的坐標(biāo)位置均以此主坐標(biāo)系作為參照；定義相對(duì)坐標(biāo)系〇 r-xryrzr，坐標(biāo)系原點(diǎn)位于 主飛行器質(zhì)心，w軸指向主飛行器的速度方向，〇 ryr堅(jiān)直向上，0rzr軸與之構(gòu)成右手坐標(biāo) 系D
[0026] 圖3為編隊(duì)飛行控制系統(tǒng)示意圖，編隊(duì)隊(duì)形控制過(guò)程如下：首先，任務(wù)規(guī)劃模塊向 空間小型飛行器編隊(duì)隊(duì)形計(jì)算模塊提供編隊(duì)的使命空間特性及目標(biāo)分布特性，本發(fā)明的使 命空間特性包括編隊(duì)隊(duì)形保持和編隊(duì)隊(duì)形變換等，目標(biāo)分布特性包括對(duì)地面目標(biāo)觀測(cè)時(shí)地 面目標(biāo)的地理經(jīng)緯度、對(duì)空間目標(biāo)觀測(cè)時(shí)空間目標(biāo)的相對(duì)位置等目標(biāo)分布特性；并用于根 據(jù)使命目標(biāo)空間特性和目標(biāo)分布特性直接向主飛行器發(fā)送指令飛行狀態(tài)，即空間位置、速 度、彈道傾角和彈道偏角變化率，進(jìn)而直接約束主飛行器的飛行狀態(tài)。
[0027] 空間小型飛行器編隊(duì)隊(duì)形計(jì)算模塊根據(jù)任務(wù)規(guī)劃模塊提供的使命空間特性和 目標(biāo)分布特性，確定當(dāng)前任務(wù)下的最優(yōu)隊(duì)形，不同階段對(duì)應(yīng)不同的空間小型飛行器編隊(duì) 最優(yōu)隊(duì)形；在編隊(duì)隊(duì)形保持的使命空間特性下，假設(shè)其最優(yōu)隊(duì)形為與主飛行器保持一定 空間位置關(guān)系的隊(duì)形，從飛行器與主飛行器之間位置關(guān)系（期望間距）為（1,1,?)= Λ、ΔΖ)，其中為第i枚從飛行器的位置，ΑΛΑ)為主 飛行器的位置為第i枚（i從2開(kāi)始）從飛行器與主飛行器的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣。坐標(biāo)系 轉(zhuǎn)換矩陣Κ、位置增量（ΔΧρ ΔΥρ ΛΖΡ與飛行器通訊距離、機(jī)動(dòng)能力、控制精度等參數(shù)相 關(guān)，隨任務(wù)要求變化而變化。例如飛行器根據(jù)任務(wù)需求需要保持菱形進(jìn)攻隊(duì)形，且由主飛行 器作為進(jìn)攻箭頭尖端，組網(wǎng)通訊距離為10km，防碰撞半徑為4km，考慮控制誤差lkm，組網(wǎng)通 訊距離余量lkm，綜合以上約束條件，則從飛行器2、3、4與主飛行器之間的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣 和位置增量分別為：
[0028]①主從飛行器共用一個(gè)坐標(biāo)系則坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣為：
[0029]

【權(quán)利要求】
1. 一種空間小型飛行器編隊(duì)飛行控制系統(tǒng)，其特征在于：包括任務(wù)規(guī)劃模塊、隊(duì)形計(jì) 算模塊、主飛行器控制模塊、編隊(duì)隊(duì)形控制模塊以及從飛行器控制模塊，其中 ： 任務(wù)規(guī)劃模塊用于向隊(duì)形計(jì)算模塊實(shí)時(shí)發(fā)送使命目標(biāo)的空間特性和目標(biāo)分布特性，所 述使命目標(biāo)空間特性為編隊(duì)隊(duì)形保持或編隊(duì)隊(duì)形變換； 隊(duì)形計(jì)算模塊根據(jù)規(guī)劃模塊發(fā)送的使命空間特性和目標(biāo)分布特性，確定空間小型飛行 器當(dāng)前最優(yōu)編隊(duì)隊(duì)形；并將最優(yōu)編隊(duì)隊(duì)形發(fā)送給編隊(duì)隊(duì)形控制模塊； 任務(wù)規(guī)劃模塊還用于根據(jù)使命目標(biāo)空間特性和目標(biāo)分布特性向主飛行器控制模塊發(fā) 送主飛行器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)指令； > 主飛行器控制模塊根據(jù)任務(wù)劃模塊發(fā)出的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)指令，進(jìn)行對(duì)主飛行器的飛行控 制，得到實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；并將主飛行器的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)送給編隊(duì)隊(duì)形控制模塊； 編隊(duì)隊(duì)形控制模塊用于根據(jù)主飛行器控制模塊發(fā)送的主飛行器實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及由 隊(duì)形計(jì)算模塊發(fā)送的最優(yōu)編隊(duì)隊(duì)形和所接收到的從飛行器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，計(jì)算得出從飛行器 的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)指令；并將計(jì)算所得從飛行器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)指令發(fā)送給從飛行控制模塊； > 從飛行器控制模塊根據(jù)編隊(duì)飛行控制模塊發(fā)送的從飛行器的指令運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行飛行 控制，得到實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并將運(yùn)動(dòng)狀態(tài)反饋給編隊(duì)隊(duì)形控制模塊。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間小型飛行器編隊(duì)飛行控制系統(tǒng)，其特征在于：所述 最優(yōu)編隊(duì)隊(duì)形為集中式，所述集中式為以主飛行器為參照點(diǎn)，編隊(duì)中的每個(gè)空間小型飛行 器與該參考點(diǎn)的相對(duì)位置不變。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間小型飛行器編隊(duì)飛行控制系統(tǒng)，其特征在于：所述 最優(yōu)編隊(duì)隊(duì)形為分層式，所述分層式為將從飛行器分為若干個(gè)次級(jí)編隊(duì)，并在每一個(gè)次級(jí) 編隊(duì)中設(shè)定一個(gè)次級(jí)主飛行器，然后將各個(gè)編隊(duì)的次級(jí)主飛行器與所述主飛行器作為一個(gè) 編隊(duì)進(jìn)行控制。
【文檔編號(hào)】G05B19/418GK104216382SQ201410484189
【公開(kāi)日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年9月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月19日
【發(fā)明者】陳墾, 梁海朝, 王永海, 水涌濤, 劉佳琪, 孟剛 申請(qǐng)人:北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所, 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院