[發(fā)明專利]一種燃料消耗低與過程穩(wěn)定的電磁航天器構(gòu)型重構(gòu)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910077464.5
• 申請(qǐng)日: 2019-01-28
• 公開（公告）號(hào): CN109828594B
• 公開（公告）日: 2021-07-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張?jiān)?/a>;楊樂平;朱彥偉;戚大偉;黃渙;甄明
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍國防科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G05D1/08
• 分類號(hào): G05D1/08
• 代理公司: 長沙國科天河知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 43225
• 代理人: 邱軼

本發(fā)明屬于電磁航天器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種燃料消耗低與過程穩(wěn)定的電磁航天器構(gòu)型重構(gòu)方法。該方法主要步驟為：(S1)分別計(jì)算電磁航天器編隊(duì)系統(tǒng)的初始相對(duì)平衡態(tài)構(gòu)型和目標(biāo)相對(duì)平衡態(tài)構(gòu)型，(S2)設(shè)計(jì)時(shí)間區(qū)間為期望的初始相對(duì)平衡態(tài)不穩(wěn)定流形與目標(biāo)相對(duì)平衡態(tài)穩(wěn)定流形連接時(shí)段；(S3)分別選取初始相對(duì)平衡態(tài)構(gòu)型全局流形中的不穩(wěn)定流形，目標(biāo)相對(duì)平衡態(tài)構(gòu)型全局流形中的穩(wěn)定流形上一定數(shù)量的離散狀態(tài)點(diǎn)，并建立關(guān)于狀態(tài)點(diǎn)之間偏差的標(biāo)量?jī)?yōu)化目標(biāo)函數(shù)，設(shè)計(jì)脈沖速度增量以及電磁磁矩使標(biāo)量?jī)?yōu)化目標(biāo)函數(shù)趨近于0，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)航天器的重構(gòu)。本發(fā)明在構(gòu)型重構(gòu)設(shè)計(jì)中引入電磁力操控，充分利用其不消耗燃料的優(yōu)勢(shì)，且穩(wěn)定性較好。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電磁航天器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種燃料消耗低與過程穩(wěn)定的電磁航天器構(gòu)型重構(gòu)方法。

背景技術(shù)

隨著微納航天器遂行在軌任務(wù)能力的增強(qiáng)，通過微納航天器集群實(shí)現(xiàn)單顆大航天器任務(wù)或新概念在軌任務(wù)需求逐漸成為典型模式。通過微納航天器集群及重構(gòu)以實(shí)現(xiàn)構(gòu)型的柔性，可顯著提高在軌任務(wù)能力、精度、魯棒性以及升級(jí)能力。目前，針對(duì)常規(guī)慣性推力作用的航天器集群構(gòu)型重構(gòu)已得到眾多研究，提出了一些優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；星載可控電磁裝置的引入使得微納航天器操控動(dòng)力學(xué)展現(xiàn)出新的特性，包括不消耗燃料、存在相對(duì)平衡態(tài)及穩(wěn)定性、滿足動(dòng)力學(xué)守恒等。

現(xiàn)有技術(shù)主要從重構(gòu)規(guī)劃方法出發(fā)，較少考慮控制對(duì)象本身(特別是微納電磁航天器)的內(nèi)在特性，設(shè)計(jì)的重構(gòu)優(yōu)化方案存在挖掘潛力不足、僅為次優(yōu)等缺點(diǎn)，包括：(1)未充分利用電磁航天器操控自身特性，構(gòu)型重構(gòu)消耗燃料偏大；(2)構(gòu)型重構(gòu)過程特性注重不足，過程中可能存在動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定特性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明從微納電磁航天器操控動(dòng)力學(xué)特性出發(fā)，充分利用電磁集群航天器的相對(duì)平衡態(tài)特性，基于電磁操控動(dòng)力學(xué)不變流形設(shè)計(jì)以及不穩(wěn)定-穩(wěn)定流形之間切換優(yōu)化控制設(shè)計(jì)，得到滿足燃料消耗低與過程穩(wěn)定的電磁航天器構(gòu)型重構(gòu)方法，可滿足長期、多次、可拓展等多種類需求的構(gòu)型重構(gòu)需求。本發(fā)明具體技術(shù)方案如下：

一種燃料消耗低與過程穩(wěn)定的電磁航天器構(gòu)型重構(gòu)方法，應(yīng)用于雙電磁航天器組成的電磁航天器編隊(duì)系統(tǒng)，主要步驟如下：

(S1)分別計(jì)算電磁航天器編隊(duì)系統(tǒng)的初始相對(duì)平衡態(tài)構(gòu)型和目標(biāo)相對(duì)平衡態(tài)構(gòu)型，具體過程為：

(S11)以電磁航天器編隊(duì)系統(tǒng)的質(zhì)心CM為原點(diǎn)o_CM，建立動(dòng)力學(xué)建模參考坐標(biāo)系o_CMxyz，o_CMx軸沿CM地心距方向，o_CMy軸沿軌道速度方向，o_CMz軸與o_CMx軸、o_CMy軸構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系，基于坐標(biāo)系o_CMxyz，建立各個(gè)航天器相對(duì)CM的平動(dòng)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程；

(S12)根據(jù)各個(gè)航天器的平動(dòng)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程，求解電磁航天器編隊(duì)系統(tǒng)的徑向、法向以及切向的相對(duì)平衡態(tài)條件；

(S13)根據(jù)徑向、法向以及切向的相對(duì)平衡態(tài)條件，得到系統(tǒng)相對(duì)平衡態(tài)X^*，再依據(jù)系統(tǒng)相對(duì)平衡態(tài)X^*對(duì)相對(duì)CM的平動(dòng)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行線性化得到電磁航天器編隊(duì)位于系統(tǒng)相對(duì)平衡態(tài)X^*的線性化模型；

(S14)將X^*處設(shè)計(jì)的流形初始狀態(tài)代入系統(tǒng)相對(duì)平衡態(tài)X^*的線性化模型并積分得到全局流形，所述全局流形包括穩(wěn)定流形和不穩(wěn)定流形；

(S2)設(shè)計(jì)時(shí)間區(qū)間，所述時(shí)間區(qū)間為期望的初始相對(duì)平衡態(tài)不穩(wěn)定流形與目標(biāo)相對(duì)平衡態(tài)穩(wěn)定流形連接時(shí)段；

(S3)分別選取初始相對(duì)平衡態(tài)構(gòu)型全局流形中的不穩(wěn)定流形，目標(biāo)相對(duì)平衡態(tài)構(gòu)型全局流形中的穩(wěn)定流形上一定數(shù)量的離散狀態(tài)點(diǎn)，并建立關(guān)于狀態(tài)點(diǎn)之間偏差的標(biāo)量?jī)?yōu)化目標(biāo)函數(shù)，設(shè)計(jì)脈沖速度增量以及電磁磁矩使標(biāo)量?jī)?yōu)化目標(biāo)函數(shù)趨近于0，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)航天器從初始相距L1到期望相距L2的重構(gòu)。