论文总字数：18427字

摘 要

人造卫星，作为与人类生活息息相关的最特殊的航天器，其覆盖的功能也随着人类需求的不断提高而越来越广泛，同时伴随着科学技术的日益精进与任务难度的日趋递加，在单一卫星的应用很难再完全满足全新的任务要求之际，一种新兴的理念也随之应运而生，那就是卫星编队飞行。

卫星编队的基本理念和运作原理为发射两颗以上的多颗卫星，使得编队中的多颗卫星相互协作成为一个整体有序地运行，这就需要保证编队中运行在同一个轨道上的多个成员之间是保持一致的速度并且互相之间保持特定的距离以避免碰撞，这也是编队技术中需要解决的一个重要环节。在包括博弈论和碰撞概率分析等多种相关研究方法之中我们在此选择更简单更有效其它优点也更加明显的势函数法来进行碰撞避免问题的讨论，分别考虑在有、无外部参考轨迹两种不同的前提条件下，设计并引入相应的势函数进行自适应协同控制器的设计，然后通过自适应估计方法估计未知重量并对编队间的相对位置进行控制，最终结果均通过仿真加以验证其可行性。

关键词：卫星编队；势函数；避免碰撞 ；自适应协同控制

Abstract

As the most special spacecraft closely related to human life, the artificial satellite’s functions are becoming more and more extensive with the continuous improvement of human needs. Science and technology develops and the difficulty of tasks increases at the same time.At a time when the application of a single satellite is difficult to fully meet the new mission requirements, a new concept came into being, that is, satellite formation flight.

The basic concept and operation principle of satellite formation is to launch more than two satellites, so that multiple satellites in the formation can operate in an orderly manner as a whole as only one satellite, which requires to ensure that multiple members of the formation operating in the same orbit maintain the same speed and maintain a specific distance between each other to avoid collision。This is also an important link to be solved in formation technology. Among many related research methods, including game theory and collision probability analysis, we choose the simpler and more effective potential function method to discuss collision avoidance. The corresponding potential function is designed and introduced in the two cases with and without external reference trajectories, then the relative position of formation is controlled by adaptive estimation method.

Key words: satellite formation；potential function；avoid collision； Adaptive cooperative control

目录

摘要 1

Abstract 2

第一章 绪论 3

1.1 课题研究背景与现状 4

1.2 避免碰撞 5

1.3 势函数与自适应协同控制 6

1.4 综述 7

第二章 理论准备 8

2.1 编队相对运动控制模型的建立 9

2.2 图论 10

2.3 相关Barablat引理 11

2.4 梯度 12

2.5 其它相关理论 13

第三章 有参考轨迹情况下的自适应协同控制器设计 14

3.1 控制器的设计与说明 15

3.2 控制器有效性的理论证明 16

3.3 仿真论证 17

第四章 无参考轨迹情况下的自适应协同控制器设计 18

4.5 控制器的设计与说明 19

4.6 控制器有效性的理论证明 20

4.7 仿真论证 21

结论 22

参考文献 23

致谢 24

第一章 绪论

1.1课题研究背景与现状

之所以将人造卫星称为最特殊的航天器，是基于它与上到国防体系下到平民生活都密切相关的特性，从洲际导弹的精确制导到将平民大众精准地送往世界各地的定位系统，可以说飘荡在地球上空几万公里深处的人造卫星已经完全地融入了整个社会体系的运行之中。而卫星涉及的领域越来越广和太空任务要求的不断提高所带来的便是单一卫星太空作业的局限性和技术与成本挑战。

正是在这样的情况中诞生了卫星编队的理念。其工作机制在于使编队中两颗以上的多颗卫星在同一轨道上按特定的距离组成一定形状的系统，采用同样的轨道倾角和轨道周期且设定一致的飞行高度与速度，对编队进行实时的检测与调控保证各成员卫星的相对位置保持在规定精度的控制区域内不致发生相互撞碰，从而实现各成员卫星之间相互通信联系与协同工作共同完成由单一卫星难以实现的复杂任务。通过成员卫星间的协同配合，以大型卫星网络方式运行的编队比起单一的卫星和传统的卫星星座网，其优势也是不言而喻的。

考虑到安全性、经济性、任务性和传统性能等多个方面，卫星编队飞行的优点主要体现在如下几个方面：

（1）可靠：多颗卫星意味着在特殊情况下承担风险的能力大大增加了，即便其中一颗卫星出现休克或损坏等意外情况，仍然不会影响编队整体的运作能力或甚至导致任务无法顺利完成的情形。

（2）便宜：成本决定了此项理念的可行性，比起专门研制并发射一颗体积庞大的大型卫星，卫星编队在能完成同等任务的前提下还能省去大量的成本。

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