空间太阳能电站能量传输多智能体协同控制方法

技术领域

本发明涉及多航天器协同控制技术领域，尤其涉及一种空间太阳能电站能量传输多智能体协同控制方法。

背景技术

空间太阳能电站也称太阳能发电卫星(简称SPS)，是一种在地球同步轨道上运行的可作为发电站的卫星，它所携带的太阳能电池板始终朝着太阳方向，每年将有277天是全日照，仅在春分、秋分前后各有45天出现地球阴影，最长停电时间不超过75分钟，即空间太阳能电站99％的时间都可以发电，电池板吸收能量后再经过微波或激光的方式传回地球，但激光的危害性与能量衰减程度很强，微波技术的安全性较好、技术相对成熟，有较高的利用率，于是选择微波的方式传输至地球，地面利用接收转换装置将接收到的波信号转为电信号，以实现电能利用。

编队卫星的协同工作是一个非常复杂的任务，多数情况下，为了实现既定的航天任务，编队卫星必须精确的保持它们之间的队形。重构队形是实现编队飞行任务的关键技术之一，由于长期受到各种扰动力(如J

空间太阳能电站编队飞行系统是一个复杂的大型系统，由多个分布式子系统组成。每一个子系统中都有单独的控制器来分别调整各自的姿态。在调节自身的同时，所有空间太阳能电站成员必须要保证整个太阳能电站编队的稳定性,这就需要进行协同控制的设计方法。

按照控制算法产生的空间位置不同这一点进行划分，空间太阳能电站编队协同控制方法可以分为:集中式控制和分布式控制。在集中式控制方式中，主太阳能电站产生控制方案来控制整个编队系统，并将协同控制信号通过星间的通讯链路传递给系统中的其他子系统。各子系统按照该控制信号调节实现协同效果。但是一旦受到外界干扰或者通讯链路不稳定时，主太阳能电站与子系统之间的通讯就可能中断，影响系统的协同稳定性。与此同时，集中式控制方式需要处理和传送大量数据，实现系统控制就会非常复杂。而分布式控制指的是各个子系统将自身的信息和相邻子系统的信息结合产生的控制方式。同时，也可以将集中式控制与分布式控制结合，以产生协同控制的信号。和集中式控制相比，分布式控制容错率高，设计方式简便。当整个系统中的某一个子系统出现故障时，不影响其他子系统的控制方式，而且一般情况下不会影响整个系统的稳定性。因此，有必要设计一种用于空间太阳能电站能量传输的多智能体协同控制方法，用以解决现有技术存在的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种空间太阳能电站能量传输多智能体协同控制方法，通过空间太阳能电站之间的姿态协同实现能量传输的多级转换，通过能量收集转换装置和波束集中控制发射装置将太阳能传输到地面上，有效的解决能源问题，具有能量利用率高、安全性较好、有希望彻底解决能源危机等优点。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种空间太阳能电站能量传输多智能体协同控制方法，该方法中包括一个协同控制系统，需要依次执行K次协同控制系统总流程，K表示地球在地球轨道上围绕太阳运行的K个不同位置，在每一个位置均执行一次协同控制系统总流程；协同控制系统包括n个均匀分布在地球静止轨道上的空间太阳能电站和m个设置在晨昏太阳同步轨道上的空间太阳能电站；每次执行的协同控制系统总流程均包括依次执行的m次协同控制子流程；

n个均匀分布在地球静止轨道上的空间太阳能电站包括n-1个带有能量收集转换装置的空间太阳能电站和一个带有能量收集转换装置和波束集中控制发射装置的空间太阳能电站，所述地球静止轨道上的n个空间太阳能电站相对位置固定，形成一个闭环的能量传输链；m个设置在晨昏太阳同步轨道上的空间太阳能电站均设有能量收集转换装置和波束集中控制发射装置，所有晨昏太阳同步轨道上的空间太阳能电站始终面向太阳；

所述协同控制子流程的方法如下：

某次协同控制系统总流程中的晨昏太阳同步轨道上任意一个空间太阳能电站将太阳能进行收集转换，通过波束集中控制发射装置将能量发射到与之距离最近的位于地球静止轨道的空间太阳能电站上；

位于地球静止轨道上的空间太阳能电站在接受能量后将能量传输到位于地球静止轨道上带有能量收集转换装置和波束集中控制发射装置的空间太阳能电站上；

位于地球静止轨道上带有能量收集转换装置和波束集中控制发射装置的空间太阳能电站将接收到的太阳能进行收集转换，通过波束集中控制发射装置将能量发射到地面接受站，地面接受站利用接收转换装置将接收到的波信号转为电信号，实现电能利用；

将地球静止轨道上1→n颗空间太阳能电站按照顺序依次排列，令晨昏太阳同步轨道上任意一个空间太阳能电站将能量传输给地球静止轨道上第i颗空间太阳能电站，i＝1、2、…、n；

按照排列顺序规定i→i+1→n→1方向为地球静止轨道上空间太阳能电站能量传输逆时针方向，1为末端输出；i→i-1→1方向为地球静止轨道上空间太阳能电站能量传输顺时针方向；

能量在地球静止轨道顺时针传输的距离S

当能量在地球静止轨道顺时针传输的距离S

建立地心惯性坐标系{A}，以地心为坐标原点，y轴在地球赤道平面上且正方向指向春分点，z轴在晨昏太阳同步轨道平面上且正方向指向北极，且与地球自转轴重合垂直于赤道面，x轴则与其他两个轴组成右手直角坐标系；

晨昏太阳同步轨道上任意一个空间太阳能电站到地球静止轨道上任意一个空间太阳能电站的自定义距离计算表达式为：

地球静止轨道上任意一个空间太阳能电站到地球静止轨道上其他任意一个空间太阳能电站的自定义距离计算表达式为：

其中，a

自定义函数

采用自定义函数

采用自定义函数

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的空间太阳能电站能量传输多智能体协同控制方法，通过空间太阳能电站之间的姿态协同控制实现能量传输的多级转换，通过能量收集转换装置和波束集中控制发射装置将太阳能传输到地面上，能量利用率高、安全性较好、有希望彻底解决能源危机。通过本发明的方法实现的航天器编队由于研制周期短，先进的技术可以及时得到应用，提供了更多进入空间的机会，有利于发展中国家完成太空任务，并且具有高度灵活性，可以根据任务的需求来改变系统的构型和指向，灵活改变系统功能，是单一航天器无法实现的，航天器编队的系统性能相对更好，编队中的航天器将太阳能进行汇集转换，再通过控制姿态协同控制器来控制航天器之间的相对姿态，航天器编队飞行通过星间的通信互联，可以更好地完成单个航天器无法完成的空间任务。

附图说明

图1为本发明实施例提供的空间太阳能电站能量传输多智能体协同控制方法流程图；

图2为本发明实施例提供的空间太阳能电站能量传输结构示意图；

图3为本发明实施例提供的地心惯性坐标系及空间太阳能电站在地球静止轨道和晨昏太阳同步轨道上的运动轨迹示意图；

图4为本发明实施例提供的能量在地球静止轨道逆时针传输结构示意图；

图5为本发明实施例提供的能量在地球静止轨道顺时针传输结构示意图；

图6为本发明实施例提供的能量直接传输结构示意图。

图中：11、地球；12、地球静止轨道；13、晨昏太阳同步轨道。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例的方法如下所述。

一种空间太阳能电站能量传输多智能体协同控制方法，如图1所示，该方法中包括一个协同控制系统，需要依次执行K次协同控制系统总流程，K表示地球在地球轨道上围绕太阳运行的K个不同位置，在每一个位置均执行一次协同控制系统总流程；协同控制系统包括n个均匀分布在地球静止轨道上的空间太阳能电站和m个设置在晨昏太阳同步轨道上的空间太阳能电站；每次执行的协同控制系统总流程均包括依次执行的m次协同控制子流程。

n个均匀分布在地球静止轨道上的空间太阳能电站包括n-1个带有能量收集转换装置的空间太阳能电站和一个带有能量收集转换装置和波束集中控制发射装置的空间太阳能电站，所述地球静止轨道上的n个空间太阳能电站相对位置固定，形成一个闭环的能量传输链；m个设置在晨昏太阳同步轨道上的空间太阳能电站均设有能量收集转换装置和波束集中控制发射装置，所有晨昏太阳同步轨道上的空间太阳能电站始终面向太阳。

协同控制子流程的方法如下：

某次协同控制系统总流程中的晨昏太阳同步轨道上任意一个空间太阳能电站将太阳能进行收集转换，通过波束集中控制发射装置将能量发射到与之距离最近的位于地球静止轨道的空间太阳能电站上；

位于地球静止轨道上的空间太阳能电站在接受能量后将能量传输到位于地球静止轨道上带有能量收集转换装置和波束集中控制发射装置的空间太阳能电站上；

位于地球静止轨道上带有能量收集转换装置和波束集中控制发射装置的空间太阳能电站将接收到的太阳能进行收集转换，通过波束集中控制发射装置将能量发射到地面接受站，地面接受站利用接收转换装置将接收到的波信号转为电信号，实现电能利用。

本实施例的空间太阳能电站能量传输多智能体协同控制方法构建的空间太阳能电站能量传输结构如图2所示。通过空间太阳能电站之间的姿态协同控制实现了能量传输的多级转换，通过能量收集转换装置和波束集中控制发射装置将太阳能传输到地面上，能量利用率高、安全性较好、有希望彻底解决能源危机。

地球静止轨道上带有波束集中控制发射装置的空间太阳能电站，对地面发射的微波是稳定的，地面接收站可以实现24小时不间断接收能量。

晨昏太阳同步轨道的轨道倾角大于90°，位于晨昏太阳同步轨道上的空间太阳能电站始终处于太阳光的照射下，不会进入地球阴影，太阳电池可以充足充电而不会中断。

将地球静止轨道上1→n颗空间太阳能电站按照顺序依次排列，令晨昏太阳同步轨道上任意一个空间太阳能电站将能量传输给地球静止轨道上第i颗空间太阳能电站，i＝1、2、…、n；

按照排列顺序规定i→i+1→n→1方向为地球静止轨道上空间太阳能电站能量传输逆时针方向，1为末端输出；i→i-1→1方向为地球静止轨道上空间太阳能电站能量传输顺时针方向。

能量在地球静止轨道顺时针传输的距离S

当能量在地球静止轨道顺时针传输的距离S

建立地心惯性坐标系，以地心为坐标原点，y轴在地球赤道平面上并且正方向指向春分点，z轴在晨昏太阳同步轨道平面上并且正方向指向北极，且与地球自转轴重合垂直于赤道面，而x轴则与其他两个轴组成右手直角坐标系，空间太阳能电站在地球静止轨道和晨昏太阳同步轨道上的运动情况如图3所示。

采用自定义函数

采用自定义函数

自定义函数

如图4所示，晨昏太阳同步轨道上任意一个空间太阳能电站到地球静止轨道上任意一个空间太阳能电站的距离为最短距离时刻的两个空间太阳能电站位置为b

能量传输过程的最短距离为：

由于地球静止轨道上任意一个空间太阳能电站到地球静止轨道上其他任意一个空间太阳能电站的自定义距离计算表达式为：

当能量在地球静止轨道卫星逆时针传输时(即a

当能量在地球静止轨道卫星顺时针传输时(即a

由于S

如图5所示，晨昏太阳同步轨道上任意一个空间太阳能电站到地球静止轨道上任意一个空间太阳能电站的距离为最短距离时刻的两个空间太阳能电站位置为b

能量传输过程的最短距离为：

由于地球静止轨道上任意一个空间太阳能电站到地球静止轨道上其他任意一个空间太阳能电站的自定义距离计算表达式为：

Min(S

当能量在地球静止轨道卫星顺时针传输时(即a

当能量在地球静止轨道卫星逆时针传输时(即a

由于S

如图6所示，晨昏太阳同步轨道上任意一个空间太阳能电站到地球静止轨道上任意一个空间太阳能电站的距离为最短距离时刻的两个空间太阳能电站位置为b

能量传输过程的最短距离为：

此时，位于地球静止轨道卫星能量顺时针方向传输的距离与逆时针方向相同，距离表达式为：

由于S

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。