[發(fā)明專利]地球攝動(dòng)引力場(chǎng)中近地航天器相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌道的保持方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610860433.3
• 申請(qǐng)日: 2016-09-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106628257B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-01-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 代洪華;汪雪川;孫沖;岳曉奎;袁建平
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): B64G1/24
• 分類號(hào): B64G1/24;G06F17/50
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司61200
• 代理人: 齊書田

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于航空航天技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種近地航天器相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌道的保持方法，特別涉及地球攝動(dòng)引力場(chǎng)中近地航天器相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌道的保持方法。

背景技術(shù)

近地軌道航天器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)問(wèn)題在過(guò)去的幾十年中受到了大量相關(guān)研究人員的關(guān)注。許多二體問(wèn)題的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型被相繼提出，最為著名的相對(duì)運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型是C-W方程。C-W方程提供了一種求解近圓軌道航天器相對(duì)運(yùn)動(dòng)周期軌道的方法。然而，C-W方程中采用的一些假設(shè)條件(假設(shè)圓軌道、忽略地球扁率等)會(huì)導(dǎo)致模型的誤差在某些情況下嚴(yán)重偏離實(shí)際。由于周期性相對(duì)軌道在相對(duì)軌道保持，以及航天器編隊(duì)飛行方面具有重要意義，迫切需要更加精確的相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型以及求解相對(duì)運(yùn)動(dòng)周期軌道的方法。迄今，已經(jīng)有過(guò)許多對(duì)C-W方程進(jìn)行一般化的嘗試。通過(guò)研究得到了相對(duì)運(yùn)動(dòng)線性方程組的齊次解，得到了T-H方程的周期軌道初始條件。該結(jié)果能用于對(duì)參考軌道為橢圓軌道的大型航天器集群飛行進(jìn)行初始化。然而，當(dāng)同時(shí)考慮重力場(chǎng)的非線性、地球J₂攝動(dòng)、和大偏心率參考軌道時(shí)，初始條件就無(wú)法再滿足要求了。當(dāng)考慮非線性項(xiàng)的存在時(shí)，非線性動(dòng)力學(xué)模型都沒(méi)有解析解，因?yàn)槟Ｐ头匠滩痪邆渚€性系統(tǒng)的可加性和齊次性。總的來(lái)說(shuō)，當(dāng)前還未能針對(duì)近地軌道航天器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)提出一種精確、可靠、適應(yīng)性強(qiáng)的周期軌道初始化方法，也未針對(duì)航天器相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌道的保持提供一種普遍有效、節(jié)省燃耗的控制策略。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種任意形狀翻滾衛(wèi)星的非接觸式慣量系數(shù)辨識(shí)方法，以克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提出了基于時(shí)間離散法的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌道初值快速解算方法和軌道保持控制方法，計(jì)算效率高，并且節(jié)省控制燃料，因此具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

地球攝動(dòng)引力場(chǎng)中近地航天器相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌道的保持方法，包括如下步驟：

1)建立地球引力攝動(dòng)下主從星的精確相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型；

2)使用時(shí)間離散法對(duì)主從星相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行求解；

3)獲取閉合投影軌道；

4)設(shè)計(jì)閉環(huán)控制策略。

進(jìn)一步地，步驟1)中建立地球引力攝動(dòng)下主從星的精確相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型具體為：

同時(shí)采用地心慣性坐標(biāo)系和星體坐標(biāo)系建立從航天器相對(duì)于主航天器的橢圓軌道相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型：

其中，x_r，y_r，z_r為從星在主星星體坐標(biāo)系下的位置坐標(biāo)，ω_x,ω_z，α_x，α_z分別為主星星體坐標(biāo)系繞自身x軸、z軸的旋轉(zhuǎn)角速度及相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角加速度，η由如下關(guān)系式給出：

r，i，和θ均為描述主星軌道的周期性時(shí)變參數(shù)并由如下主星軌道方程給出：

其中，s表示三角函數(shù)sin，c表示三角函數(shù)cos，r為主星相對(duì)于地心的距離，v_r為r相對(duì)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，h為主星的角動(dòng)量，θ為主星與升交點(diǎn)之間的夾角，i為軌道平面傾角，Ω為升交點(diǎn)赤經(jīng)，k_J2為J₂相關(guān)項(xiàng)；

F_x，F(xiàn)_y，和F_z是從星的控制力在主星星體坐標(biāo)系下的分量，η_r和是相對(duì)位置坐標(biāo)x_r，y_r，z_r的函數(shù)并由如下關(guān)系給出：

其中，

r_rZ＝(r+x_r)s_is_θ+y_rs_ic_θ+z_rc_i，

在上式中，r_r為從星相對(duì)于地心的距離，r_rZ為r_r在地心慣性系Z軸上的投影，J₂為地心引力場(chǎng)的攝動(dòng)項(xiàng)，μ為引力常數(shù)，R_e為地球半徑；

然后，通過(guò)降階增維的方式，將主從星相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程中的二階導(dǎo)數(shù)消去，從而將其轉(zhuǎn)化為如下的一階狀態(tài)空間形式：