宇航学报 | 青年编委李爽:时变拓扑卫星集群分布式自主相对导航方法
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李爽, 龚翼飞, 李克行, 等. 时变拓扑卫星集群分布式自主相对导航方法. 宇航学报, 2023, 44(1): 119-131.
LI Shuang, GONG Yifei, LI Kehang, et al. Distributed Autonomous Relative Navigation Method for Satellite Cluster with Time varying Topology. Journal of Astronautics, 2023, 44(1): 119-131.
研究概述
01研究背景和目的
集群卫星系统由多颗卫星构成，灵活性强、安全性高，可以协同完成复杂的飞行任务。在大规模的卫星集群系统中，集中式相对导航算法存在着系统容错性低、状态维数高、中心卫星计算负荷大等缺点。因此，分布式相对导航算法具有更高的可行性。传统的分布式相对导航算法主要针对具有固定拓扑结构的卫星集群，当发生卫星节点运行、节点损毁、链路失效等情况时，需要实时地对系统拓扑结构进行重构。因此，需要对时变拓扑下的集群卫星分布式相对导航系统进行研究。
02研究方法
针对集群卫星的分布式相对导航算法，根据卫星间满足的测量条件的不同，设计了不同的状态估计方法。其中，针对仅测距相对导航存在模糊轨道的问题，引入矢量环的一致性约束，构造一致性无迹卡尔曼滤波算法，以保证系统的可观性。
针对时变拓扑下的相对导航需求，引入图论的思想，将集群卫星及卫星间的测量链路视作图中的节点和边；同时对传统的Dijkstra算法加以改进，以导航精度为优化指标，从而提出了改进的Dijkstra算法，实现对系统拓扑结构进行实时的设计与重构。
考虑了GNSS拒止的GEO轨道集群卫星相对导航场景，对所提出的时变拓扑下的分布式相对导航算法进行了数值验证。
图1 算法流程框图
南京航空航天大学的李爽（我刊青年编委）、龚翼飞、刘旭等和北京控制工程研究所的李克行以《时变拓扑卫星集群分布式自主相对导航方法》为题，将该项成果发表于《宇航学报》2023年第1期。
研究结论
1
针对仅测距相对导航系统不可观的问题，引入矢量环的一致性约束，构造一致性无迹卡尔曼滤波算法，并利用模糊轨道理论证明了一致性约束的引入可以有效地排除仅测距系统的模糊轨道，保障系统的可观性。
2
提出了一种改进的Dijkstra算法，以滤波精度为优化指标对测量和通信链路进行设计，从而实现系统时变拓扑结构的实时重构。数值仿真结果验证了改进的Dijkstra算法的可行性，且相较于传统的Dijkstra算法可以获得更高的相对导航精度。
3
在GEO轨道上对时变拓扑下的集群卫星分布式相对导航算法进行了数值验证，结果表明提出的算法可以高效地满足拓扑结构的时变需求，同时实现高精度的集群卫星分布式相对导航。
前景与应用
该方法可应用于空间攻防领域的卫星集群围捕拦截、围捕攻击、对地观测等任务，解决集群卫星协同任务分配和导航制导与控制问题，提高集群技术的分布式架构、自由拓展和智能协同能力，为构建和发展空间智能对抗体系提供支撑。
研究团队
南京航空航天大学航天新技术实验室（Advanced Space Technology Laboratory）主要面向深空探测、在轨服务与操控等国家科技创新重大专项以及航天新技术、新概念，在深空探测方面开展深空探测自主导航与规划、深空探测动力学与控制等方向的研究，在在轨操控方面开展航天任务智能规划与控制、非合作目标识别与操控、在轨组装任务规划等方向的研究，在巨型星座方面开展构型设计与控制、星座构型智能自适应重构、碰撞预警及规避等方向的研究。
李爽教授/博士生导师
中国宇航学会深空探测技术专业委员会委员、中国空间科学学会空间智能专业委员会委员、中国指挥与控制学会空天安全平行系统专业委员会委员。主要从事航天器动力学与控制、飞行器博弈对抗规划与控制、多星组网协同观测智能规划、深空探测和航天技术新概念等方面的教学与科研工作。
2019年入选江苏省“青蓝工程”中青年学术带头人，2020年入选爱思唯尔“中国高被引学者”榜单，2022年入选斯坦福大学发布的“全球前2%顶尖科学家榜单”，获教育部科技进步二等奖。相关研究工作在我国火星探测工程和小行星探测工程前期论证中得到初步应用并入选日本科学技术振兴机构（JST）“中国•日本科学最前线”特集：宇宙科学，注目記事。
E-mail：lishuang@nuaa.edu.cn
龚翼飞硕士研究生
主要从事深空探测自主导航和集群卫星相对导航方法研究。
E-mail：yixgong@163.com
作者：李爽、龚翼飞
责任编辑：路瑶
审核：郭筱曦
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《宇航学报》2023年第1期上线
来源：宇航学报编辑部
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