[發明專利]一種多約束條件下橢圓軌道衛星編隊構形初始化方法

有效

• 申請號: 201811492401.8
• 申請日: 2018-12-07
• 公開（公告）號: CN109375648B
• 公開（公告）日: 2020-04-10
• 發明（設計）人: 翟光;楊少偉;張景瑞
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 北京理工正陽知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 鄔曉楠

本發明公開的一種多約束條件下橢圓軌道衛星編隊構形初始化方法，涉及一種衛星編隊構形初始化方法，屬于航天器制導與控制領域。本發明的實現方法為：通過經典軌道動力學和坐標變換，推導得出真近點角域T?H方程解析解，并分析動力學約束，周期性繞飛約束，建立監測相機視場約束和推力幅值約束，從而建立編隊的多約束最優控制模型并通過高斯偽譜法求解，得到任意時刻的協態值，實現對航天器結構完整性的實時監視，且通過增加偏心率和初始化時間降低推進系統的燃料消耗和最大幅值。本發明能夠在多約束條件下實現橢圓軌道衛星編隊構形初始化，通過衛星編隊構形初始化實現在多約束條件下的有效最優控制。

技術領域

本發明涉及一種衛星編隊構形初始化方法，尤其涉及一種在多約束條件下建立橢圓軌道衛星編隊的最優初始化方法，屬于航天器制導與控制領域。

背景技術

近年來，衛星編隊技術因其未來廣闊的應用領域而備受關注。基于小衛星的衛星集群編隊飛行技術以其強大的技術優勢和廣闊的應用前景，得到了軍事、工業、商業以及科研等領域相關機構的普遍關注和認可。雙星編隊是最基本的衛星編隊形式，編隊由主星和從星組成，從星環繞主星執行在軌監測任務，例如可以檢測主星的外形結構、太陽帆板是否正常，從而降低成本并減少航天員在艙外活動的風險性。同時，繞飛監測也是實現對目標航天器進行燃料加注、在軌維修、物資補給、空間交會等在軌服務的重要助益和關鍵技術。因此，有關衛星編隊的繞飛構形設計以及構形初始化控制的研究有著十分重要的意義。

衛星編隊的構形和控制是以相對動力學為基礎，圓軌道相對運動模型由C-W方程給出。當目標航天器運行的軌道為橢圓形軌道時，由于軌道偏心率的存在，C-W方程會引入明顯的誤差，此時采用T-H方程來描述其線性相對運動。然而，由于在時域內T-H方程具有顯著的非線性特征，相對運動的求解十分困難，為此本發明通過真近點角域變換來線性化T-H模型，并推導出解析解。

編隊衛星釋放過程中的控制一般采用有限幅值的推力器，且為了保證釋放過程中的安全性，一般需要采用可見光相機進行監測，因此在編隊初始化時，必須考慮上述工程約束條件。軌跡優化問題的求解，從本質上可分為間接法、直接法以及混合法。間接法在理論上嚴格滿足最優性一階必要條件，但在實際計算過程中，由于對協狀態初始猜測的高度敏感性，收斂半徑很小，求解比較困難，因此應用受到了一定的限制。直接法相比間接法，可以有效避免協狀態的求解，且可以通過適當選取離散節點的規模，有效減少計算量。

發明內容

本發明公開的一種多約束條件下橢圓軌道衛星編隊構形初始化方法要解決的技術問題是：在多約束條件下實現橢圓軌道衛星編隊構形初始化，通過衛星編隊構形初始化實現在多約束條件下的有效最優控制。

本發明的目的通過以下技術方案實現。

本發明公開的一種多約束條件下橢圓軌道衛星編隊構形初始化方法，包括如下步驟：

步驟一：通過經典軌道動力學和坐標變換，推導得出真近點角域T-H方程解析解。

步驟1.1：分別建立慣性坐標系和軌道坐標系；

建立以地球為中心的固定慣性坐標系，其X軸指向春分點，Z軸與地球的旋轉軸方向一致，Y軸根據右手定則確定。建立以主星為質心相對于原點旋轉的軌道坐標系，其x軸從地球中心指向主星的中心，z軸垂直于軌道平面，y軸根據右手定則確定。

步驟1.2：根據經典軌道動力學得出解析解；

定義主星與從星的相對位置矢量ρ＝r_d-r_c，其中r_d∈R³和r_c∈R³分別是從星和主星的位置矢量。主星和從星之間的相對動力學在慣性參考系中表示為：