[發明專利]一種采用Jordan分解進行編隊飛行小推力重構的方法

有效

• 申請號: 201910595964.8
• 申請日: 2019-07-03
• 公開（公告）號: CN110488858B
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發明（設計）人: 徐明;白雪;鄭亞茹;伍濤;曲慶渝
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 冀學軍

本發明公開了一種采用Jordan分解進行編隊飛行小推力重構的方法，包括有：步驟一，建立無攝圓軌道下主星與從星的相對運動模型；步驟二，針對運動系數矩陣進行Jordan分解，得到解耦的相對運動關系的通解；步驟三，將變換后運動狀態量的初值視為區分編隊構型的不變量，建立由初始軌道構型到目標軌道構型狀態量的泛函；步驟四，用多項式描述編隊重構的優化系數向量，化簡由初始軌道構型到目標軌道構型狀態量的泛函；步驟五，以控制燃料消耗總量最小為收斂約束，優化求解編隊重構的優化系數向量。本發明應用Jordan分解分離出線性不穩定項和周期項，通過對構型不變量和積分初值的不同定義，以達到最小燃料消耗總量為目標、重構路徑初終端為約束，優化求解常值系數向量。

技術領域

本發明涉及衛星編隊飛行技術領域，更特別地說，是指一種采用Jordan分解與小推力策略進行編隊飛行小推力重構的方法。

背景技術

作為多星系統，航天器編隊很大程度上拓展了單一航天器完成任務的局限性，不但能夠實現編隊中單一航天器的任務功能，而且整個編隊可以替代單個大航天器實現更為復雜的任務。在一定條件下，即使在編隊中丟失一兩個航天器，其他航天器也可協作完成丟失航天器的任務，大大提高編隊系統的整體可靠性，具有很強的實際應用價值。由于編隊中衛星所攜帶的燃料有限且無法補給，因此進行編隊飛行不同重構策略的研究，具有十分重要的意義。

為了成功地實現編隊飛行任務，任務之前和執行任務中的航天器編隊軌道設計尤為重要，因此提出了編隊構型的相關問題。編隊構型機動中主要包含三個主要內容：

構型建立，即將相互獨立的航天器群組建為任務所需構型；

構型保持，即通過控制方法，使編隊內各航天器在受到軌道攝動等因素的影響下仍可保持穩定的相對位置，維持任務所需構型；

構型重構，即針對編隊飛行航天器位置的重分配，根據不同任務的需要而對航天器編隊的一顆或多顆航天器進行軌道調整，使航天器編隊位置或編隊中航天器之間的相對位置發生改變，從而實現編隊不同構型之間的轉換。

與傳統的航天器軌道維持相比，高精度編隊飛行的軌道控制對于控制精度具有更高的要求，對于控制頻率也有一定的限制。因此，連續小推力軌道控制走進航天研究者的視野，基于連續小推力控制的航天器軌道維持與重構成為眾多學者的熱門研究內容。作為執行深空探測任務中的常用的一項關鍵技術，小推力技術具有技術發展成熟、控制精度高、直觀的特點。由于新型電推進器以及電磁力和靜電力的使用面越來越廣，連續小推力方法的應用更為廣泛。

此外，在衛星編隊重構中，通常都將燃料消耗總量、燃料消耗均衡或者二者的某種加權關系作為編隊重構優化指標。

發明內容

鑒于特征值分解在描述相對轉道運動模式的不足，本發明采用Jordan分解分離出線性不穩定項和周期項，衛星編隊由主星與從星兩顆衛星組成，并假設主星運行在無攝圓軌道上。本發明重構方法通過對構型不變量和積分初值的不同定義，優化從星從初始軌道構型到目標軌道構型的重構路徑，進而轉化滿足初終端約束的開環控制規劃泛函。基于小推力控制的多項式函數近似求解，以達到最小燃料消耗總量為目標、重構路徑初終端為約束，優化求解常值系數向量。

本發明的一種采用Jordan分解進行編隊飛行小推力重構的方法，其特征在于包括有下列步驟：

步驟一，建立無攝圓軌道下主星與從星的相對運動模型；

為了維持編隊飛行構型采用CW方程來描述主星與從星的相對位置關系，并在所述的CW方程中添加了外部控制加速度u，使得主星與從星滿足式(1)的相對運動關系：

A表示Φ的右下角對角元素，且ω表示主星的軌道角速度；-A表示A的相反數；

B表示Φ的左下角對角元素，-B表示B的相反數；