[發明專利]在軌拖曳的組合體航天器姿軌復合控制方法

在審

• 申請號: 201310039449.4
• 申請日: 2013-02-01
• 公開（公告）號: CN103970142A
• 公開（公告）日: 2014-08-06
• 發明（設計）人: 盧山;劉超鎮;武海雷;賀亮;韓飛;李劍
• 申請（專利權）人: 上海新躍儀表廠
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 上海航天局專利中心 31107
• 代理人: 馮和純

技術領域

本發明涉及航天器在軌服務技術，尤其是組合體姿軌復合控制方法實現廢棄衛星在軌拖曳的方法。

背景技術

廢棄的衛星或空間碎片占有有限的空間資源，并對在軌運行航天器造成威脅。通過服務航天器捕獲將其拖曳至墳墓軌道，恢復干凈的空間環境，且服務航天器可重復使用多次，能夠清理多顆廢棄衛星。

服務航天器捕獲目標后，組合體完全交由服務航天器來控制，質量特性較之前發生很大變化：質量和轉動慣量增加、質心偏移。由此帶來的推力不對稱、力矩分配、質量特性參數無法準確獲得等問題給組合體控制帶來很大困難。

為此需要對組合體進行在軌辨識，辨識的結果為控制器的輸入提供依據。辨識算法要求簡單可靠，實時性要好，精度高。軌道機動期間受質心偏移且辨識存在誤差的影響，軌控發動機作用時對姿態產生較大的干擾力矩，姿態的變化又會引起最終的軌道精度，因此需根據辨識結果合理配置控制周期內的噴氣脈寬，并協同處理姿控和軌控系統的指令。設計在軌拖曳的組合體航天器姿軌復合控制方法非常必要，故申請人來提供現有尚無的方法。

發明內容

本發明的目的在于提供在軌拖曳的組合體航天器姿軌復合控制方法，能夠實現大干擾力矩及參數不確定性情況下的廢棄空間目標的離軌機動。

本發明根據清理地球軌道的廢棄衛星或者空間碎片，為正常運行的衛星提供潔凈的運行環境理由。先將服務衛星發射至停泊軌道待命,由地面控制它對廢棄衛星或空間目標進行追蹤、變軌、逼近、懸停,通過機械臂抓捕或者飛網捕獲廢棄星,抓捕完成后,服務衛星和廢棄星聯為一體,然后對服務衛星進行變軌機動,將廢棄星攜帶到高軌廢棄軌道或者低軌再入軌道,最后服務衛星與廢棄衛星分離，完成在軌拖曳任務。服務衛星的在軌拖曳可重復多次使用，能將多顆廢棄目標脫離原軌道。

本發明針對軌道機動期間組合體質心偏移大、質量特性參數不確定問題，設計了姿軌系統協同控制方法，實現了廢棄衛星或空間目標的離軌操控，滿足姿態控制精度及軌道誤差的要求，能有效地節約了燃料，提高了服務航天器的使用壽命。

為了達到上述發明目的，本發明的在軌拖曳的組合體航天器姿軌復合控制方法，先對組合體的質量特性參數進行在軌辨識，并將結果作為控制器參數設定的依據，然后針對軌道機動期間干擾力矩大及參數不確定的情況，采用兩種不同的姿軌控制，以配合實際的推力器配置，完成空間目標的軌道轉移。其包括如下步驟：

步驟一，對組合體航天器質量特性參數進行在軌辨識

通過推力器對組合體進行激勵，獲取機動過程中陀螺、加速度計的測量輸出，采用遞推最小二乘法在線辨識出組合體的質量、質心位置；

對組合體的質量特性參數進行在軌辨識，并將結果作為控制器參數設定的依據；由噴氣對航天器進行控制，根據作用效果辨識模型參數。在噴氣對航天器進行激勵過程中，飛輪不參與控制，其轉速為0。在機動中，需要采用非平衡作用力，即對星體施加的噴氣作用力合力不能為0，且須對航天器姿態信息進行監控，防止本體失穩。因此，可根據機動過程中的歷史數據，包括控制器的輸出、角速度的測量結果來和加速度計的輸出，采用最小二乘法求解，從而辨識出航天器的質量 、質心位置。

步驟二，軌道機動期間組合體姿軌復合控制的確定

利用在線辨識的結果修正控制器，結合推力器的配置，確定姿軌協同、推力矢量融合兩種控制。姿態控制采用斜開關線噴氣控制，姿軌協同控制為姿態控制回路和軌道控制回路分別使用不同的推力器，推力器不存在共用的情況。姿軌協同控制其軌道轉移時間相對較少，但所需燃料相對多些。推力矢量融合控制在于協調所使用推力器，并根據姿態控制回路和軌道控制回路的需要動態地規劃推力器所需執行的控制指令，實現姿軌控制，優化控制性能，同時節約燃料。

本發明采用的方法，其優點和有益效果是：

能夠實現大干擾力矩及參數不確定性情況下的廢棄空間目標的離軌機動；能用于清理地球軌道的廢棄衛星或者空間碎片，為正常運行的衛星提供潔凈的運行環境。

附圖說明

以下將結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。

圖1是本發明中在軌拖曳示意圖；

圖2是本發明中組合體參數辨識方法原理圖；

圖3是本發明中姿軌協同控制方案原理圖；

圖4是本發明中推力矢量融合方案原理圖；

圖5是本發明中斜開關線控制律設計圖；

具體實施方式