基于凸优化理论的航天器群智能碰撞规避技术研究

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1、中图分类号：V324.24论文编号：102871515－S019学科分类号：081105硕士学位论文基于凸优化理论的航天器群智能碰撞规避技术研究研究生姓名赵建新学科、专业导航、制导与控制研究方向航天器智能控制指导教师闻新教授南京航空航天大学研究生院航天学院二О一五年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAstronauticsResearchonswarmintelligencetechnologyforspacecraftcollisionavoidancebasedonconve

2、xoptimizationtheoryAThesisinNavigationGuidanceandControlByZhaoJianxinAdvisedbyProf.WenXinSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMar,2015承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授

3、权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文摘要随着微机电、微电子技术与分布式卫星系统的发展以及空间在轨目标数量的不断增长，卫星朝着小型化、分布式协作、自主管理的方向发展。由微小卫星构成的航天器群是当前航天器编队技术的一个新的发展方向，而航天器群因空间任务需要在进行编队构形重构过程中因外界因素与不确定因素的影响，难免在重构过程中会发生星间的碰撞问题，因此星间的碰撞规避问题已经成为研究编队重构过程中一个重要课题。本文以运行在低地球

4、轨道的航天器群为研究对象,（编队成员数大于等于10），针对航天器间的相对运动动力学模型、航天器群编队重构防碰撞轨迹规划和航天器群的模型预测控制进行了研究，通过数值仿真对其进行了验证。首先，通过对国内外关于碰撞规避问题相关文献的调研分析，对航天器群编队卫星空间碰撞规避的相关技术及其相关研究进展进行了全面的介绍。给出了编队卫星空间碰撞规避技术的框架结构、关键技术和涉及的相关理论问题，对碰撞规避主要技术问题的研究进展进行了综述。其次，定义了空间坐标系，基于C-W方程、轨道根数法与相对轨道要素法对航天器群编队飞行的相对运动进行了描述，并对相对运动方程的推导进行了描述，分析了动力学模型各自的特点。再

5、次，假设在地球低轨近圆参考轨道下，根据高精度的相对运动方程结合凸优化理论，以燃料消耗最小为性能指标给出了航天器群重构防碰撞轨迹规划问题，通过对轨迹规划问题进行凸优化处理，进而将规划问题转化为凸优化问题，发展了离散的SCP算法，然后利用凸优化工具箱CVX进行求解。利用凸优化问题求解迅速的特点解决了群重构过程对于计算时间尽量小的特点。最后，由于航天器群成员数量较大，随着数量的增加，SCP算法所得到优化轨迹相对于期望值有较大的误差，所以利用模型预测控制滚动时域优化的特点，将SCP算法与MPC算法思想相结合，将优化时域缩小对问题进行滚动时域优化，并引入终端消耗函数来确保优化问题的收敛与可行。设计了

6、MPC控制器给出了SCP-MPC算法，通过数值仿真验证了算法能够在存在干扰项的情况下与期望值间有较小的误差。关键词：航天器群，卫星编队，碰撞规避，凸优化，相对运动，模型预测控制I基于凸优化理论的航天器群智能碰撞规避技术研究AbstractWiththedevelopmentofMEMS,microelectronicstechnologyanddistributedsystemsandspacecraftinorbitwhichgrowingnumberandtowardminiaturization,distributedcollaboration,self-managementdire

7、ction.Spacecraftswarmmadeupoftinysatellitesiscurrentlydevelopinganewdirectionspacecraftformationtechnology,whilethespacecraftcarryingtheswarmduetospacemissionsrequireFormationReconfigurationprocessduetoexternalfa