[發(fā)明專利]一種針對(duì)空間非合作目標(biāo)自主逼近控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810828100.1
• 申請(qǐng)日: 2018-07-25
• 公開（公告）號(hào): CN108803346B
• 公開（公告）日: 2021-07-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 袁建平;李琪;張博;張軍華;王偉;高琛
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G05B13/04
• 分類號(hào): G05B13/04
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 徐文權(quán)

本發(fā)明公開了一種針對(duì)空間非合作目標(biāo)自主逼近控制方法，通過設(shè)計(jì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)速度級(jí)相對(duì)狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，并對(duì)由非合作目標(biāo)運(yùn)動(dòng)引入的未知?jiǎng)討B(tài)項(xiàng)和外界干擾組成的復(fù)合不確定性項(xiàng)進(jìn)行在線估計(jì)，借助擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的觀測(cè)值對(duì)不確定性項(xiàng)進(jìn)行前饋補(bǔ)償，并在李雅普諾夫框架下設(shè)計(jì)自主逼近控制器，本發(fā)明不需要用到兩航天器之間的速度級(jí)相對(duì)運(yùn)動(dòng)信息，不依賴于非合作目標(biāo)的精確運(yùn)動(dòng)信息，同時(shí)也不需要服務(wù)航天器和非合作目標(biāo)之間的相對(duì)速度信息，因此，該控制方法更加符合實(shí)際的逼近環(huán)境，具體更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和工程應(yīng)用可能性，能夠?yàn)槲磥淼脑谲壏?wù)任務(wù)提供理論支撐，同時(shí)不需要非合作目標(biāo)的準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)信息。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種針對(duì)空間非合作目標(biāo)自主逼近控制方法，該方法屬于航天器動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

目前，在軌運(yùn)行著數(shù)以萬計(jì)的空間物體，這些物體除了在軌正常運(yùn)行的人造衛(wèi)星外，更多的是空間碎片、廢棄衛(wèi)星、火箭上面級(jí)等空間非合作目標(biāo)。這些空間非合作目標(biāo)不僅占據(jù)著很多寶貴的空間位置，同時(shí)也給在軌運(yùn)行的正常航天器的安全造成了影響。空間非合作目標(biāo)，通常是指那些沒有合作標(biāo)識(shí)器，不能通過星間鏈路向服務(wù)航天器傳遞其運(yùn)動(dòng)信息的空間失效衛(wèi)星。為了減緩空間態(tài)勢(shì)壓力，就有必要對(duì)這些非合作目標(biāo)進(jìn)行在軌服務(wù)操作，主要包括對(duì)故障衛(wèi)星進(jìn)行在軌維修與再利用、對(duì)壽命將至的衛(wèi)星進(jìn)行部件升級(jí)、以及對(duì)碎片進(jìn)行清理與銷毀。在對(duì)空間非合作目標(biāo)進(jìn)行在軌服務(wù)的過程中會(huì)涉及到很多的技術(shù)難點(diǎn)，其中一個(gè)就是對(duì)非合作目標(biāo)的自主逼近。與傳統(tǒng)的合作目標(biāo)所不同，非合作由于不能向服務(wù)航天器傳遞其自身的運(yùn)行信息，這對(duì)自主逼近控制策略的提出帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

對(duì)非合作目標(biāo)自主逼近過程的研究非常的多，這些研究主要集中在以下幾個(gè)方面：(1)考慮逼近過程中出現(xiàn)的多種約束限制，例如碰撞規(guī)避、視線約束、推力限制等等，設(shè)計(jì)能夠滿足約束條件的最優(yōu)交會(huì)軌跡；(2)考慮逼近過程中出現(xiàn)的模型不確定性、外界擾動(dòng)等，設(shè)計(jì)非線性魯邦反饋控制策略，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的自主逼近。在這些研究中普遍都假設(shè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)信息完全已知，同時(shí)假設(shè)服務(wù)航天器和非合作目標(biāo)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)信息完全已知。考慮到非合作目標(biāo)的真實(shí)特性，這些假設(shè)條件很難在實(shí)際的自主逼近過程中得到滿足。這是為什么至今為止仍然沒有一個(gè)國家進(jìn)行過相關(guān)的在軌演示驗(yàn)證操作。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種針對(duì)空間非合作目標(biāo)自主逼近控制方法，不需要目標(biāo)航天器的精確運(yùn)動(dòng)信息，同時(shí)也不需要服務(wù)航天器和非合作目標(biāo)之間的相對(duì)速度信息，本發(fā)明能夠保證閉環(huán)系統(tǒng)的一致有界，符合實(shí)際的逼近環(huán)境，具體更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和工程應(yīng)用可能性。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種針對(duì)空間非合作目標(biāo)自主逼近控制方法，包括以下步驟：

步驟1)、建立航天器近距離逼近非合作目標(biāo)過程中的相對(duì)動(dòng)力學(xué)模型；

步驟2)、根據(jù)步驟1)所建立的相對(duì)位置運(yùn)動(dòng)模型，利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)逼近過程中的不可測(cè)狀態(tài)和不確定項(xiàng)并對(duì)不可測(cè)狀態(tài)和不確定項(xiàng)進(jìn)行觀測(cè)與估計(jì)，得到擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)值；

步驟3)、對(duì)步驟2)所得到的擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)值對(duì)自主逼近動(dòng)力學(xué)模型中出現(xiàn)的不確定項(xiàng)進(jìn)行前饋補(bǔ)償，并利用得到的擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)值代替不可測(cè)狀態(tài)，進(jìn)而在李雅普諾夫框架下得到控制方程實(shí)現(xiàn)對(duì)非合作目標(biāo)的自主逼近控制。

進(jìn)一步的，航天器在逼近非合作目標(biāo)過程中的相對(duì)動(dòng)力學(xué)模型表示如下：