[發明專利]一種基于B樣條函數的衛星路徑規劃和預測控制的跟蹤方法

有效

• 申請號: 201811071706.1
• 申請日: 2018-09-14
• 公開（公告）號: CN109358497B
• 公開（公告）日: 2020-04-21
• 發明（設計）人: 胡慶雷;解靜潔;董宏洋;郭雷
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種基于B樣條函數的衛星路徑規劃和預測控制的跟蹤方法，包括如下步驟：建立衛星相對空間站運動的軌道模型及誤差模型；為了在衛星始終不懸停的狀態下獲得光滑且能夠躲避障礙物的衛星參考路徑，設計安全通道約束以及基于B樣條函數設計路徑規劃方法；通過投影的方法解算出衛星參考路徑的參考狀態量及參考輸入量；建立基于模型預測控制的跟蹤控制器；考慮到衛星傳感器探測范圍有限，設計一種邊規劃邊跟蹤的動態路徑規劃及跟蹤控制算法。本發明綜合考慮了衛星的路徑規劃和軌跡跟蹤，規劃的路徑光滑且能夠躲避障礙物，同時設計的跟蹤器具有良好的跟蹤效果，實用性強，穩定性高，適用于航天器控制領域中航天器的路徑規劃及跟蹤控制。

技術領域

本發明涉及一種基于B樣條函數的衛星路徑規劃和預測控制的跟蹤方法，主要應用于航天器路徑規劃及跟蹤控制，屬于航天器控制技術領域。

背景技術

空間站作為一種長時間在軌運行，為人類提供開發太空資源，觀測太空環境的載人航天器，已經吸引了眾多國內外研究人員進行科學研究。隨著空間站的研究與發展，其長期在軌穩定運行離不開航天器的監視與偵查，如美國的AERCam微小衛星，對空間站進行外部檢查；以及空間站艙外監視器Inspector，對空間站進行艙外維修與檢測。除此之外，航天員出艙維護與管理也是空間站穩定運行必不可少的保證，然而，航天員出艙活動風險大、費用高，針對此問題，各國相繼研制開發了代替航天員艙外活動的微小衛星，同時其可以完成各種各樣復雜的空間任務。

微小衛星體積小，質量輕，成本低，在完成很多復雜的空間任務上發揮著越來越大的作用，如深空探測、懸停繞飛、檢測偵查、維修管理等空間任務。隨著科學技術的進步與發展，空間站中的衛星功能將會更加強大，應用越來越靈活，作用也會隨之更加廣泛，因此，在空間站上釋放衛星的需求將會增加。目前，國際空間站上已經安裝有專門釋放衛星的裝置，如國際空間站上的日本實驗模塊小衛星軌道釋放器和NanoRacks立方體衛星釋放器。

空間站中釋放出的衛星需要考慮其對空間站產生的碰撞，對空間碎片等障礙物的碰撞，以及衛星相互之間的碰撞威脅，因此在空間站釋放衛星的路徑規劃問題中，躲避障礙物是不可避免的難題及任務之一。同時，在規劃的路徑基礎上，衛星需要進行實時在線跟蹤，滿足空間站復雜環境下的各種約束，以及具有良好的跟蹤效果。

發明內容

針對現有技術中存在的問題，本發明提出一種基于B樣條函數的衛星路徑規劃和預測控制的跟蹤方法，利用B樣條函數進行路徑規劃，保證曲率最小使得衛星路徑盡可能的光滑連續，同時設計躲避障礙物的安全通道，以防止衛星與空間障礙物發生碰撞，并通過投影的方法得到參考狀態量及參考輸入量；除此之外，基于設計好的路徑結合模型預測控制進行軌跡跟蹤，達到燃料最優的優化性能并滿足輸入約束，同時建立反饋控制器，終端約束懲罰項以及終端約束集，保證了閉環系統的穩定性，使得衛星具有良好的跟蹤效果，此外，由于衛星傳感器探測范圍的限制，整個算法過程為邊路徑規劃邊進行軌跡跟蹤，增加了工程實用性。

根據本發明的一方面，提供了一種基于B樣條函數的衛星路徑規劃和預測控制的跟蹤方法，包括以下步驟：

S1：建立衛星相對空間站運動的軌道模型和誤差模型；

S2：基于規劃的衛星路徑盡可能光滑且能夠躲避空間障礙物的要求，設計衛星躲避障礙物的安全通道約束，以及基于B樣條函數，設計路徑規劃方法，得到衛星參考路徑，然后利用投影的方法解算出衛星參考路徑的參考狀態量及參考輸入量；

S3：基于步驟S1建立的衛星的誤差模型以及步驟S3得到的衛星參考路徑，建立基于模型預測控制的跟蹤控制器(MPC控制器)；

S4：基于步驟S3得到的衛星參考路徑和步驟S4建立的跟蹤控制器，設計邊規劃邊跟蹤的動態路徑規劃及MPC跟蹤控制器，使得衛星安全抵達目標位置。

進一步地，所述步驟S1中的衛星相對空間站運動的軌道模型如下：