分布式卫星自主构形重构技术研究

论文摘要

分布式卫星(Distributed Satellite Systems,DSS)自主运行是空间技术发展的必然趋势,自主构形重构是DSS自主运行的一项关键技术内容。论文广泛吸收和借鉴多学科的研究成果,以理论分析和仿真验证相结合的方式,对DSS自主构形重构技术进行系统深入的研究,得到许多有意义的结论:1.将复杂适应系统(Complex Adaptive System,CAS)理论用于DSS自主运行,提出基于多Agent的DSS自主运行基本框架。给出基于多Agent的自主运行DSS形式化描述,为自主运行研究奠定理论基础;提出基于仿真的系统总体分析与设计方法,为自主运行DSS设计提供指导。2.研究基于多Agent的DSS自主构形重构系统设计问题。引入组织理论的相关思想和方法,提出一种面向结构的自主运行DSS组织分析与设计方法,建立分布集中式组织结构下DSS自主构形重构系统的Agent组织,给出DSS自主构形重构系统中Agent的类型、数量和能力,研究了构形重构位置分配的协商策略。3.设计了一系列DSS自主构形重构算法。对上层规划问题,提出一种无径向推力的DSS构形重构路径规划方法,用于求解径向推力器失效情况下的构形重构路径规划以及目标位置协同优化问题;对单星失效的DSS构形重构问题,提出两种构形失效重组方案,并分别采用有、无径向推力的路径规划方法进行求解;针对复杂DSS构形重构位置分配问题,对常用算法进行分析,确定拍卖算法作为DSS自主构形重构位置分配算法。对底层控制问题,提出DSS构形重构的螺旋控制策略,能避免复杂的优化计算,满足自主重构的控制需求;在螺旋控制策略基础上,为伴星回收设计了一条稳定的燃料——时间优化回收轨道,能较好满足航天任务对伴星回收的燃料和时间要求;提出DSS构形重构的小推力模糊策略,摆脱了对系统模型的依赖,具有较好的鲁棒性;提出DSS构形重构的模糊LQR(Linear Quadratic Regulator)控制策略,能充分利用编队运行的实时信息,较好满足自主运行的需要;提出无径向推力的构形重构模糊LQR控制策略,在满足自主运行需求的同时,为缺失径向推力的构形重构问题提供了一种新的解决方案。4.对DSS自主构形重构进行仿真验证。提出一种适宜于组织角色扮演的BDICC(Belief, Desire, Intention, Capability, Commitment) Agent模型结构,给出基于类框架的混合型BDICC Agent的BNF(Backup Normal Form)描述,探讨基于KQML(Knowledge Query and Manipulation Language)的Agent通信机制。最后将文中提出的构形重构算法作为Agent能力实现的核心算法,结合仿真实例对DSS自主构形重构进行验证。仿真结果证明了自主构形重构算法的有效性和基于Agent的自主构形重构的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 分布式卫星发展概况
• 1.1.2 分布式卫星自主运行
• 1.1.3 分布式卫星自主构形重构
• 1.1.4 本文研究意义
• 1.2 国内外相关技术研究综述
• 1.2.1 分布式卫星自主运行
• 1.2.2 分布式卫星自主构形重构
• 1.3 论文研究目的、思路与内容组织
• 1.3.1 本文的研究目的
• 1.3.2 研究的总体思路
• 1.3.3 论文主要内容及组织结构
• 1.4 论文主要贡献与创新
• 第二章 分布式卫星自主构形重构基础
• 2.1 引言
• 2.2 分布式卫星自主运行基础
• 2.2.1 分布式卫星自主运行理论基础
• 2.2.2 分布式卫星自主运行方法基础
• 2.3 基于多Agent的自主运行分布式卫星形式化描述
• 2.3.1 基本概念
• 2.3.2 自主运行分布式卫星形式化描述
• 2.4 自主运行分布式卫星总体分析与设计方法
• 2.4.1 基本思路
• 2.4.2 基于仿真的自主运行分布式卫星总体分析与设计方法
• 2.5 分布式卫星自主构形重构关键技术分析
• 2.5.1 分布式卫星自主构形重构的控制需求和特征
• 2.5.2 分布式卫星自主构形重构关键技术
• 2.6 小结
• 第三章 分布式卫星自主构形重构系统设计
• 3.1 引言
• 3.2 Agent组织模型
• 3.2.1 面向结构的组织描述模型
• 3.2.2 Agent组织形成
• 3.3 自主运行分布式卫星组织结构分析
• 3.3.1 分布式卫星组织结构的设计原则
• 3.3.2 分布式卫星组织结构分析
• 3.4 分布式卫星自主构形重构系统分析与设计
• 3.4.1 分布式卫星自主构形重构组织分析
• 3.4.2 分布式卫星自主构形重构组织设计
• 3.4.3 自主运行分布式卫星组织分析与设计方法
• 3.5 分布式卫星自主构形重构系统工作过程
• 3.6 小结
• 第四章 分布式卫星构形重构规划方法
• 4.1 引言
• 4.2 分布式卫星构形重构路径规划
• 4.2.1 单星环绕编队构形重构路径规划
• 4.2.2 分布式卫星整体构形重构的协同策略
• 4.3 无径向推力的分布式卫星构形重构路径规划
• 4.3.1 Hill方程的能控性分析
• 4.3.2 单星环绕编队无径向推力的构形重构路径规划
• 4.3.3 无径向推力的分布式卫星构形重构的协同策略
• 4.3.4 有、无径向推力的分布式卫星目标状态协同优化
• 4.4 分布式卫星构形失效重组路径规划
• 4.4.1 无备份卫星构形失效重组
• 4.4.2 含备份卫星的失效重组
• 4.5 分布式卫星构形重构位置分配规划
• 4.5.1 问题描述
• 4.5.2 分布式卫星构形重构的位置分配算法分析
• 4.6 小结
• 第五章 分布式卫星构形重构的螺旋控制策略
• 5.1 引言
• 5.2 分布式卫星构形重构的螺旋控制策略
• 5.2.1 问题描述
• 5.2.2 分布式卫星构形重构的螺旋控制策略
• 5.2.3 分布式卫星构形重构的螺旋控制策略比较
• 5.2.4 三星编队构形重构仿真实例
• 5.2.5 与其它构形重构控制方法的燃耗比较
• 5.3 基于螺旋控制的伴随卫星燃料——时间优化回收
• 5.3.1 问题描述
• 5.3.2 伴星回收轨道设计
• 5.3.3 仿真实例
• 5.4 小结
• 第六章 分布式卫星构形重构的模糊控制策略
• 6.1 引言
• 6.2 分布式卫星构形重构的小推力模糊控制
• 6.2.1 问题描述
• 6.2.2 模糊控制器设计
• 6.2.3 仿真实例
• 6.3 分布式卫星构形重构的模糊LQR控制
• 6.3.1 优化控制策略
• 6.3.2 模糊-优化控制策略
• 6.3.3 仿真实例
• 6.4 无径向推力的构形重构模糊LQR控制
• 6.4.1 无径向推力的LQR控制
• 6.4.2 无径向推力的模糊LQR控制
• 6.5 小结
• 第七章 分布式卫星自主构形重构仿真
• 7.1 引言
• 7.2 Agent的BDICC模型结构
• 7.2.1 BDI Agent模型
• 7.2.2 BDICC Agent模型结构
• 7.2.3 结论
• 7.3 基于Agent的分布式卫星自主构形重构系统构造
• 7.3.1 位置规划Agent构造
• 7.3.2 位置分配Agent构造
• 7.3.3 路径规划Agent构造
• 7.3.4 轨道控制Agent构造
• 7.4 系统实现分析
• 7.4.1 Agent实现分析
• 7.4.2 Agent通信机制
• 7.5 分布式卫星自主构形重构仿真实例
• 7.5.1 仿真条件
• 7.5.2 同质编队构形重构仿真
• 7.5.3 异质编队构形重构仿真
• 7.6 小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 论文主要贡献
• 8.2 进一步工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 攻读博士学位期间撰写的报告
• 攻读博士学位期间参加的科研项目
• 获奖情况