基于星间链路的星座相对构型保持方法

doi:10.7527/S1000-6893.2022.26796

电子电气工程与控制

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基于星间链路的星座相对构型保持方法

杨盛庆¹^,²(), 吴敬玉¹^,², 朱文山¹^,², 钟超¹^,²

^1.上海航天控制技术研究所，上海 201109
^2.上海市空间智能控制技术重点实验室，上海 201109

收稿日期:2021-12-10 修回日期:2022-01-11 接受日期:2022-03-08 出版日期:2023-03-25 发布日期:2022-03-11
通讯作者: 杨盛庆 E-mail:shengqing.yang@gmail.com
基金资助:
上海市青年科技启明星计划资助(17QB1401400)

Control method of constellation relative-configuration maintenance based on inter-satellite links

Shengqing YANG¹^,²(), Jingyu WU¹^,², Wenshan ZHU¹^,², Chao ZHONG¹^,²

^1.Shanghai Aerospace Control Technology Institute，Shanghai 201109，China
^2.Shanghai Key Laboratory of Aerospace Intelligent Control Technology，Shanghai 201109，China

Received:2021-12-10 Revised:2022-01-11 Accepted:2022-03-08 Online:2023-03-25 Published:2022-03-11
Contact: Shengqing YANG E-mail:shengqing.yang@gmail.com
Supported by:
Sponsored by Shanghai Rising-Star Program(17QB1401400)

摘要/Abstract

摘要：

从巨型星座在自然摄动下轨道运动的力学特性出发，分析了星座构型保持的任务特点。针对轨道面内由大气阻力和面质比差异导致的轨道面内长期相对运动，构造了星座相对构型保持的二阶一致性控制方法。针对星座多个体系统不同的星间链路连接情况和闭环网络特征，提出了不同几何拓扑结构及其相应的图论构造方法。相较于经典的绝对位置保持方法，相对构型保持只需补偿面质比差异造成的构型漂移变化，因此能够以更小的控制代价实现星座的构型保持。以星型链路的拓扑结构为例，进行了星座相对构型保持的仿真分析，离散一致性控制能够实现星座构型长期稳定。

关键词: 星座, 相对构型保持, 星间链路, 图论, 二阶一致性控制, 拓扑结构

Abstract:

In this paper， maintenance of huge constellation configuration with orbit perturbation is studied in terms of motion characteristics. Considering the in-plane relative motion caused by air drag and different area-mass ratios， a second order consensus control method is proposed for constellation relative-configuration maintenance. Considering the connection situation of inter-satellite links and the characteristics of close-loop network， a construction method of the graph theory for different topologies is developed. Compared to the classical absolute position maintenance of constellation， the relative configuration maintenance method only needs to reduce the configuration excursion caused by different mass-area ratios. Therefore， the relative configuration maintenance method is more effective in energy saving. Then， simulation of relative-configuration maintenance in star structure constellation is conducted. The simulation results show that relative-configuration maintenance can achieve long-term stability of a constellation configuration.

Key words: constellation, relative-configuration maintenance, inter-satellite link, graph theory, second order consensus control, topology structure

中图分类号:

V474

杨盛庆, 吴敬玉, 朱文山, 钟超. 基于星间链路的星座相对构型保持方法[J]. 航空学报, 2023, 44(6): 326796.

Shengqing YANG, Jingyu WU, Wenshan ZHU, Chao ZHONG. Control method of constellation relative-configuration maintenance based on inter-satellite links[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(6): 326796.

图/表 14

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

表1

星字型星座内链路示例

星座内序号	具有链接的星座内序号
1	$162,154,9, 2,18,10$
2	$154,155,1, 3,10,11$
9	$161,162,8, 1,17,18$
10	$1,2, 18,11,19,20$
154	$145,146,162,155,1, 2$
162	$153,145,161,154,9, 1$

表1

图 6

图 7

表2

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

参考文献 29

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轨道面序号n	星间差异/%
轨道面序号n	m=1	m=2	m=3	m=4	m=5	m=6	m=7	m=8	m=9
1	-10.33	1.88	12.71	-10.96	-11.13	0.85	-15.73	12.22	12.73
2	-3.84	-8.15	11.79	-13.17	-15.30	-10.74	6.15	3.07	12.70
3	-16.14	9.79	5.77	-10.89	-8.13	-0.44	-0.23	-12.68	8.90
4	-14.72	-12.44	-4.86	-2.57	-7.25	4.96	11.16	-10.40	-14.01
5	17.68	7.47	12.46	-7.56	-3.03	7.17	8.60	15.46	6.38
6	18.25	-12.66	1.31	16.94	0.31	-4.18	16.15	-18.85	0.74
7	3.01	-5.26	-5.97	-2.79	-16.58	-5.30	15.64	-0.40	18.92
8	-17.61	5.02	17.56	-12.61	-9.50	19.52	-6.63	-13.28	5.96
9	-10.61	11.21	15.04	16.20	12.04	-18.49	7.95	19.15	12.01
10	-5.87	-16.75	2.01	19.19	-18.83	15.41	-12.09	8.51	-1.85
11	12.85	17.18	4.90	-2.45	17.15	16.53	-18.78	0.02	-2.70
12	-19.38	11.03	3.48	-15.56	9.21	11.85	9.76	-1.16	13.01
13	-18.28	-0.53	-11.69	-9.68	-0.46	-16.05	0.00	-17.62	-16.66
14	-13.24	-2.57	-7.95	-3.65	3.14	-9.53	-0.80	7.28	-14.67
15	5.96	-2.13	-1.16	3.80	-10.51	-6.59	16.19	-18.30	-13.06
16	9.27	-7.75	-10.78	-9.51	-1.65	7.19	4.39	-17.14	-4.36
17	5.91	0.34	13.77	4.11	18.52	-14.54	4.71	0.87	13.26
18	-1.96	0.43	-12.21	8.45	1.87	8.85	14.38	-16.13	12.13

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