[發(fā)明專利]一種基于能量消耗的航天器規(guī)避機(jī)動(dòng)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910060663.5
• 申請(qǐng)日: 2019-01-22
• 公開（公告）號(hào): CN109491406B
• 公開（公告）日: 2022-05-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張雅聲;郝思佳;王偉林;李智;宋旭民;程文華;張海濤;陳書劍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)人民解放軍戰(zhàn)略支援部隊(duì)航天工程大學(xué)
• 主分類號(hào): G05D1/10
• 分類號(hào): G05D1/10
• 代理公司: 長(zhǎng)沙星耀專利事務(wù)所(普通合伙) 43205
• 代理人: 舒欣

本發(fā)明公開了一種基于能量消耗的航天器規(guī)避機(jī)動(dòng)方法，它涉及航天器控制技術(shù)領(lǐng)域。它包括以下步驟：建立多脈沖交會(huì)軌跡優(yōu)化模型，確定追蹤器與逃逸器交會(huì)的初始軌跡；建立逃逸器規(guī)避機(jī)動(dòng)的局面評(píng)估函數(shù)，確定逃逸器規(guī)避時(shí)間點(diǎn)；建立逃逸器規(guī)避機(jī)動(dòng)的鞍點(diǎn)模型，確定最優(yōu)規(guī)避機(jī)動(dòng)方向。本發(fā)明針對(duì)遠(yuǎn)距離段逃逸器的反交會(huì)問題，從追蹤器的多脈沖最優(yōu)交會(huì)軌跡出發(fā)，以局面評(píng)估威脅值作為規(guī)避指標(biāo)，以能量消耗作為鞍點(diǎn)優(yōu)化指標(biāo)，對(duì)交會(huì)遠(yuǎn)距離段規(guī)避機(jī)動(dòng)，使追蹤器實(shí)現(xiàn)對(duì)逃逸器交會(huì)時(shí)所需的能量消耗較大，從而提升逃逸器在空間中的生存能力。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的是航天器控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于能量消耗的航天器規(guī)避機(jī)動(dòng)方法。

背景技術(shù)

自1957年第一顆人造地球衛(wèi)星成功發(fā)射之后，空間碎片問題便產(chǎn)生了。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前空間碎片已超過四千萬(wàn)顆，總質(zhì)量已達(dá)到數(shù)百萬(wàn)千克。2018年2月，NASA約翰遜航天中心空間碎片項(xiàng)目辦公室發(fā)布的“編目空間物體數(shù)量增長(zhǎng)”數(shù)據(jù)(逐月登記)顯示，編目物體數(shù)量已達(dá)18835個(gè)。空間環(huán)境的日益嚴(yán)峻使得航天器在軌運(yùn)行遭受空間碰撞的風(fēng)險(xiǎn)正在大幅增加，同時(shí)也增加了空間碎片間的碰撞概率。目前針對(duì)空間碎片這類無(wú)機(jī)動(dòng)能力逃逸器的規(guī)避，已經(jīng)有了一定的基礎(chǔ)和成果，所采用的規(guī)避指標(biāo)通常為描述軌跡安全的相對(duì)距離和碰撞概率等。美國(guó)航空航天局引入Box區(qū)域判定法，來(lái)判斷航天器與空間物體之間的距離是否構(gòu)成威脅。2001年美國(guó)航天飛機(jī)采用一種以碰撞概率為指標(biāo)的防撞規(guī)避機(jī)動(dòng)方法，對(duì)空間碎片進(jìn)行了規(guī)避。然而隨著X-37B等一系列軌道轉(zhuǎn)移飛行器的成功試驗(yàn)，在軌航天器將會(huì)面對(duì)各種具有主動(dòng)交會(huì)意圖追蹤器的威脅，僅考慮相對(duì)距離和碰撞概率等指標(biāo)將無(wú)法進(jìn)行有效規(guī)避，需要根據(jù)追蹤器的接近策略和逃逸器的反交會(huì)需求，尋求新的規(guī)避機(jī)動(dòng)指標(biāo)和方法。

目前采用的航天器規(guī)避技術(shù)有以下兩種：

(1)在研究的空間軌道規(guī)避問題中，假設(shè)追蹤器通過脈沖機(jī)動(dòng)主動(dòng)對(duì)逃逸器進(jìn)行接近，而逃逸器按照一定的指標(biāo)進(jìn)行規(guī)避機(jī)動(dòng)，從而達(dá)到對(duì)追蹤器進(jìn)行規(guī)避的目的。假設(shè)兩航天器初始時(shí)刻的相對(duì)狀態(tài)是已知的，若初始時(shí)刻追蹤器與逃逸器相距較遠(yuǎn)(≥100km)，由于雙方的非合作性，此時(shí)相對(duì)距離信息將難以通過自主測(cè)量實(shí)時(shí)得到，通常追蹤器會(huì)采用僅測(cè)角信息進(jìn)行自主導(dǎo)航。一般來(lái)說，光學(xué)相機(jī)是比較通用的測(cè)量裝備，相對(duì)測(cè)量關(guān)系如圖1所示，其中，坐標(biāo)系的x軸沿軸線方向，y軸指向速度的反方向，z軸與其他兩軸成右手坐標(biāo)系。

在僅測(cè)角導(dǎo)航時(shí)，追蹤器和逃逸器兩者施加的機(jī)動(dòng)會(huì)改變空間相對(duì)幾何關(guān)系，并對(duì)系統(tǒng)的可觀測(cè)性造成影響，于大騰等發(fā)表的《考慮空間幾何關(guān)系的反交會(huì)規(guī)避機(jī)動(dòng)方法》中提出一種保持空間相對(duì)幾何關(guān)系不變的逃逸器規(guī)避方法，若逃逸器施加規(guī)避機(jī)動(dòng)后，追蹤器對(duì)其進(jìn)行測(cè)量的測(cè)角信息與未機(jī)動(dòng)時(shí)相同，則追蹤器將難以及時(shí)分辨逃逸器是否進(jìn)行機(jī)動(dòng)，此時(shí)的逃逸器狀態(tài)可視為不可觀測(cè)。然而完全不可觀測(cè)機(jī)動(dòng)僅為理想幾何假設(shè)，但實(shí)際規(guī)避過程中如果規(guī)避后的軌道與原軌道之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡產(chǎn)生的測(cè)量角改變值接近或者小于測(cè)量精度，則追蹤器同樣難以識(shí)別逃逸器是否機(jī)動(dòng)，即可將其視為完全不可觀測(cè)機(jī)動(dòng)的相似解。可以這樣理解，施加的機(jī)動(dòng)所引起的測(cè)角變化越小，則追蹤器進(jìn)行機(jī)動(dòng)識(shí)別的難度越大。因此，以可觀測(cè)性為規(guī)避指標(biāo)，通過智能優(yōu)化算法尋找使測(cè)角變化越小的機(jī)動(dòng)方向，則該規(guī)避機(jī)動(dòng)效果越好。

該技術(shù)存在以下缺點(diǎn)：①完全不可觀測(cè)機(jī)動(dòng)僅為理想幾何假設(shè)，追蹤器與逃逸器初始相對(duì)位置為任意非零值時(shí)，完全不可觀測(cè)機(jī)動(dòng)不存在的；該技術(shù)是根據(jù)觀測(cè)過程中存在的誤差，使誤差小于光學(xué)傳感器的最小精度而提出的規(guī)避方法。然而隨著技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)傳感器的精度會(huì)越來(lái)越高，通過優(yōu)化得到最優(yōu)規(guī)避方向?qū)⒃絹?lái)越難。

②規(guī)避機(jī)動(dòng)起作用的時(shí)間及距離范圍較短，追蹤器重新調(diào)整軌跡較容易，需要逃逸器不斷的進(jìn)行規(guī)避，對(duì)逃逸器能量消耗較大，空間生存能力較差。