非合作目標(biāo)繞飛懸停的姿軌協(xié)同控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種非合作目標(biāo)繞飛懸停的姿軌協(xié)同控制方法。本方法針對(duì)先繞飛再懸停的相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，采用實(shí)時(shí)閉環(huán)LQG軌道控制律，對(duì)繞飛階段追蹤星相對(duì)于目標(biāo)星的實(shí)際軌道運(yùn)動(dòng)和所設(shè)計(jì)的通用繞飛軌跡的偏差量，以及懸停階段追蹤星相對(duì)于懸停目標(biāo)點(diǎn)的相對(duì)位置和相對(duì)速度進(jìn)行控制，其控制精度高，燃料消耗少。在繞飛和懸停過(guò)程中，根據(jù)繞飛和懸停軌道控制下的本體系相對(duì)于視線系的姿態(tài)偏差和角速度偏差，采用滑膜變結(jié)構(gòu)姿態(tài)控制律獲得期望控制力矩并利用飛輪組執(zhí)行該控制力矩使追蹤星本體系能夠跟蹤視線坐標(biāo)系，從而實(shí)現(xiàn)繞飛和懸停期間的視線跟蹤控制，其姿態(tài)指向精度和穩(wěn)定度更高。
【專利說(shuō)明】非合作目標(biāo)繞飛懸停的姿軌協(xié)同控制方法
[0001]

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002] 本發(fā)明涉及衛(wèi)星在軌操作技術(shù)，尤其涉及非合作目標(biāo)繞飛懸停的姿軌協(xié)同控制方 法，該方法包括繞飛懸停軌道控制和繞飛懸停期間的視線跟蹤姿態(tài)控制。

【背景技術(shù)】
[0003] 在軌服務(wù)中，逼近抓捕是相對(duì)GNC技術(shù)的一個(gè)重要部分，在逼近抓捕過(guò)程中，需要 對(duì)非合作目標(biāo)進(jìn)行繞飛監(jiān)測(cè)，以獲得非合作目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息。然后對(duì)目標(biāo)進(jìn)行短時(shí)間 的懸停，為最終的對(duì)目標(biāo)星的特定部位進(jìn)行逼近抓捕創(chuàng)造條件。視線跟蹤控制在逼近/繞 飛監(jiān)視、空間中繼通信、天基掃描成像等在軌服務(wù)任務(wù)中，具有廣泛的應(yīng)用需求，在繞飛懸 停任務(wù)中必須實(shí)現(xiàn)高精度高穩(wěn)定度的姿態(tài)指向保持，這是保證追蹤航天器載荷可靠地服務(wù) 于目標(biāo)衛(wèi)星的前提，此時(shí)還需要考慮追蹤星的燃料要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明解決的問(wèn)題是繞飛懸停技術(shù)中軌道燃料最優(yōu)控制和姿態(tài)高精度高穩(wěn)定度 指向控制問(wèn)題。
[0005] 為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種非合作目標(biāo)繞飛懸停的姿軌協(xié)同控制方法，其 特征是：該方法包括如下步驟：S1)、設(shè)計(jì)追蹤星相對(duì)于目標(biāo)星的通用繞飛軌跡方程，對(duì)追 蹤星相對(duì)于目標(biāo)星的實(shí)際軌道運(yùn)動(dòng)與通用繞飛軌跡方程的狀態(tài)偏差量進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn) 追蹤星對(duì)目標(biāo)星的繞飛，在繞飛的過(guò)程中，根據(jù)繞飛控制下的實(shí)際相對(duì)位置和速度建立了 繞飛階段描述追蹤星對(duì)目標(biāo)星姿態(tài)指向跟蹤的視線坐標(biāo)系（見(jiàn)圖3)，并計(jì)算追蹤星本體系 相對(duì)于視線坐標(biāo)系的姿態(tài)偏差和角速度偏差，根據(jù)滑模變結(jié)構(gòu)姿態(tài)控制律處理該姿態(tài)偏差 和角速度偏差獲得期望控制力矩，并通過(guò)飛輪組執(zhí)行該控制力矩；S2)、對(duì)于繞飛階段結(jié)束 后的懸停階段，對(duì)追蹤星相對(duì)于懸停目標(biāo)點(diǎn)的相對(duì)位置和相對(duì)速度進(jìn)行控制，達(dá)到懸停目 的，在懸停過(guò)程中，根據(jù)懸停控制下的實(shí)際相對(duì)位置和速度建立了懸停階段描述追蹤星對(duì) 目標(biāo)星姿態(tài)指向跟蹤的視線坐標(biāo)系（見(jiàn)圖4)，并計(jì)算追蹤星本體系相對(duì)于視線坐標(biāo)系的姿 態(tài)偏差和角速度偏差，根據(jù)滑模變結(jié)構(gòu)姿態(tài)控制律處理該姿態(tài)偏差和角速度偏差獲得期望 控制力矩，并通過(guò)飛輪組執(zhí)行該控制力矩。
[0006] 在【具體實(shí)施方式】中，所述懸停目標(biāo)點(diǎn)到追蹤星的相對(duì)軌道動(dòng)力學(xué)方程

【權(quán)利要求】
1. 一種非合作目標(biāo)繞飛懸停的姿軌協(xié)同控制方法，其特征是：該方法包括如下步驟： 51) 、設(shè)計(jì)追蹤星相對(duì)于目標(biāo)星的通用繞飛軌跡方程，對(duì)追蹤星相對(duì)于目標(biāo)星的實(shí) 際軌道運(yùn)動(dòng)與通用繞飛軌跡方程的狀態(tài)偏差量進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)追蹤星對(duì)目標(biāo)星的 繞飛，在繞飛的過(guò)程中，根據(jù)繞飛控制下的實(shí)際相對(duì)位置和速度建立了繞飛階段描述追 蹤星對(duì)目標(biāo)星姿態(tài)指向跟蹤的視線坐標(biāo)系，繞飛視線坐標(biāo)系的原點(diǎn)為目標(biāo)星的質(zhì)心， h軸垂直于繞飛平面，I軸指向根據(jù)繞飛方向由右手法則確定；' 軸由目標(biāo)星指向追蹤 星，軸由右手法則確定；并計(jì)算追蹤星本體系相對(duì)于視線坐標(biāo)系的姿態(tài)偏差和角速度偏 差，根據(jù)滑模變結(jié)構(gòu)姿態(tài)控制律處理該姿態(tài)偏差和角速度偏差獲得期望控制力矩，并通過(guò) 飛輪組執(zhí)行該控制力矩； 52) 、對(duì)于繞飛階段結(jié)束后的懸停階段，對(duì)追蹤星相對(duì)于懸停目標(biāo)點(diǎn)的相對(duì)位置和相對(duì) 速度進(jìn)行控制，達(dá)到懸停目的，在懸停過(guò)程中，根據(jù)懸?？刂葡碌膶?shí)際相對(duì)位置和速度建立 了懸停階段描述追蹤星對(duì)目標(biāo)星姿態(tài)指向跟蹤的視線坐標(biāo)系，伴飛視線系的原點(diǎn)為追蹤星 質(zhì)心，由追蹤星指向目標(biāo)星；設(shè)追蹤星本體系冬先繞4軸轉(zhuǎn)司
再繞Λ軸轉(zhuǎn)動(dòng)
.% 軸就可以和的方向重合，將經(jīng)過(guò)這種轉(zhuǎn)動(dòng)之后的本體坐標(biāo)系定義為伴飛期間瞬時(shí)的 視線坐標(biāo)系;并計(jì)算追蹤星本體系相對(duì)于視線坐標(biāo)系的姿態(tài)偏差和角速度偏差，根據(jù) 滑模變結(jié)構(gòu)姿態(tài)控制律處理該姿態(tài)偏差和角速度偏差獲得期望控制力矩，并通過(guò)飛輪組執(zhí) 行該控制力矩。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非合作目標(biāo)繞飛懸停的姿軌協(xié)同控制方法，其特征是：所述 懸停目標(biāo)點(diǎn)到追蹤星的相對(duì)軌道動(dòng)力學(xué)方程
式中
表示真近點(diǎn)角
和
：分別表示懸停目標(biāo)點(diǎn)到追蹤星的相對(duì)位置和速度矢 量；
表示力；《c表示追蹤星的質(zhì)量；
纟未知有界的相對(duì)攝動(dòng)加速度；
和分別為慣性坐標(biāo)
系下追蹤星和目標(biāo)星的位置矢量
和/分別表示目標(biāo)星到懸停目標(biāo)點(diǎn)的位置矢量、 速度矢量和加速度矢量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非合作目標(biāo)繞飛懸停的姿軌協(xié)同控制方法，其特征是：所述 的實(shí)時(shí)閉環(huán)LQG軌道控制律得剎繞飛期間i自蹤屆本休系h的加諫度為
其中

為本體系相對(duì)于軌道系的轉(zhuǎn)化矩陣
^狀態(tài)反饋增益矩陣，可由目標(biāo)函數(shù)
中的狀態(tài)變量加權(quán)矩陣1和控制變量加
權(quán)矩陣靂可求得；目標(biāo)函數(shù)中Ji為追蹤星相對(duì)于目標(biāo)星的實(shí)際軌道運(yùn)動(dòng)與通用繞飛軌跡 方程的位置速度偏差量；i?為追蹤星相對(duì)于目標(biāo)星的實(shí)際軌道運(yùn)動(dòng)與通用繞飛軌跡方程 的位置偏差量；·為控制變量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非合作目標(biāo)繞飛懸停的姿軌協(xié)同控制方法，其特征是：所述 的實(shí)時(shí)閉環(huán)LQG軌道控制律得到懸停期間追蹤星本體系上的加速度為
其中j
彳狀態(tài)反饋增益矩陣，可通 過(guò)目標(biāo)函數(shù)
中的狀態(tài)變量加權(quán)矩陣
和 控制變量加權(quán)矩罔
求得，目標(biāo)函數(shù)中β
為懸停目標(biāo)點(diǎn)到追蹤星的位置矢量和速度矢
量，
為控制變量 ％慣性系下追蹤星相對(duì)于目標(biāo)星的位置矢量； 為懸停目標(biāo)點(diǎn)到追蹤星的位置矢量；
根據(jù)權(quán)利要求1所述的非合作目標(biāo)繞飛懸停的姿軌協(xié)同控制方法，其特征是：所述滑 模變結(jié)構(gòu)姿態(tài)控制律處理是
其中
表示追蹤星轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
表示飛輪的三軸角動(dòng)量，
表示追蹤星本體 系相對(duì)于慣性系的角速度，
表示視線系相對(duì)于慣性系的角速度，
表示本體系 相對(duì)于視線系的角速度；
表示滑模變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的切換函數(shù)；
P
為控制參 數(shù)，都是
矩陣
表示本體系相對(duì)于視線系的轉(zhuǎn)換矩陣；
表示視線系相 對(duì)于慣性系的角速度；
和
分別表示本體系相對(duì)于視線系的姿態(tài)偏差MRP參 數(shù)和姿態(tài)偏差角速度；
羨示雙曲正切函數(shù)，
表示
矩陣，且
【文檔編號(hào)】B64G1/24GK104249816SQ201310260623
【公開(kāi)日】2014年12月31日 申請(qǐng)日期:2013年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月27日
【發(fā)明者】武海雷, 于朝霞, 韓飛, 徐帷, 盧山, 劉超鎮(zhèn) 申請(qǐng)人:上海新躍儀表廠