[發明專利]一種航天器抵近操作路徑規劃方法

有效

• 申請號: 201911035892.8
• 申請日: 2019-10-29
• 公開（公告）號: CN110954104B
• 公開（公告）日: 2021-12-28
• 發明（設計）人: 李智;程文華;張雅聲;陳寧;李紀蓮;王偉林;方宇強;陶雪峰;張海濤;于金龍
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍戰略支援部隊航天工程大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20;G01C21/24
• 代理公司: 北京挺立專利事務所(普通合伙) 11265
• 代理人: 鄭婉婷

1.一種航天器抵近操作路徑規劃方法，其特征在于，包括：

步驟一：根據障礙與目標的相對位置關系和相對運動軌跡，確定航天器抵近操作路徑規劃中的障礙類型；

步驟二：利用基于采樣的路徑規劃算法，對航天器抵近操作路徑規劃問題進行算法描述和約束分析，并基于約束分析和步驟一確定的障礙類型生成采樣狀態空間；

步驟三：對步驟二生成的采樣狀態空間進行橢圓化處理；

步驟四：對步驟三橢圓化處理后的采樣狀態空間中每一個狀態對應的路徑進行安全性分析，剔除與目標碰撞概率大于給定安全閾值的狀態；

步驟五：對經過步驟四安全性分析后的采樣狀態空間應用基于采樣的路徑規劃算法，得到離散采樣狀態序列；

步驟六：對步驟五生成的離散采樣狀態序列進行連續化處理，得到航天器抵近操作的路徑；

所述步驟一中的障礙類型包括：懸停障礙、非共面橢圓構型障礙、共面橢圓構型障礙和/或不確定性障礙；

所述懸停障礙是指相對于目標位置不變的障礙，在Hill系中表現為一個固定區域；

所述非共面橢圓構型障礙則是相對于目標的構型為封閉固定橢圓，但其軌道面與目標軌道面之間存在一定的軌道傾角差，表現在Hill系中為中心位于V-bar上的一個空間橢圓；

所述共面橢圓構型障礙是指運行于目標軌道面，相對于目標的構型為封閉橢圓的障礙；

所述不確定性障礙則是相對于目標的構型不能長期保持的障礙；

所述步驟二中的航天器抵近操作路徑規劃問題包括環境表達和路徑規劃兩部分；

所述環境表達是指采樣狀態空間的構建，是指將實際工作空間映射到狀態空間，包括將初始位置、目標區域以及路徑規劃過程中的障礙和約束映射到狀態空間；

所述路徑規劃是指在環境表達構建的采樣狀態空間中運用路徑規劃算法找出滿足約束要求的路徑；

所述約束包括系統動力學約束、任務時間約束和/或加速度大小約束；

所述系統動力學約束是指航天器在運行過程中應遵循軌道動力學的客觀規律；

所述任務時間約束包括任務本身要求的完成時間約束、地面觀測條件約束、地面測控約束和地面通信約束，用以確定空間消旋機器人抵近操作目標的時間窗口以及控制Hill方程的誤差；

所述加速度大小約束包括兩部分：一是單次脈沖的速度增量不能超過允許的最大值；二是總的速度增量也不能超出空間消旋機器人可以提供的速度增量；

所述基于采樣的路徑規劃算法采用雙向快速行進樹Bi-FMT*算法；

所述雙向快速行進樹Bi-FMT*算法中的采樣方法為Halton確定性采樣方法；

所述雙向快速行進樹Bi-FMT*算法中的鄰域半徑由加速度大小約束決定；

所述雙向快速行進樹Bi-FMT*算法中的成本代價評估函數由相鄰兩狀態之間的速度增量來表示；

所述雙向快速行進樹Bi-FMT*算法中的障礙碰撞檢測方法采用基于內外相似橢圓的障礙碰撞檢測方法；

所述步驟三中的橢圓化處理是指將步驟二利用雙向快速行進樹Bi-FMT*算法確定的采樣狀態空間的每一狀態進行篩選，選出滿足Hill坐標系下封閉相對橢圓構型的狀態集合，作為新的采樣狀態空間；

將采樣狀態空間進一步簡化，使得所有的采樣點都位于V-bar軸上，速度為沿R-bar正向；

所述步驟四中的安全性分析采用簡化后的擬最大瞬時碰撞概率方法對步驟三橢圓化處理后的采樣狀態空間中每一個狀態進行安全性分析；

所述生成采樣狀態空間中的連續化處理包括：采用多脈沖策略對序列中的相鄰狀態進行處理，只在狀態處施加脈沖，而在狀態轉移過程中則不做處理。

2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟一中的相對位置關系、相對運動軌跡以及路徑規劃中的障礙類型均在目標軌道坐標系Hill系內表示。

3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于內外相似橢圓的障礙碰撞檢測方法是指將相對橢圓擴展為內相似橢圓和外相似橢圓，通過判斷障礙與內外相似橢圓的位置關系來進行碰撞檢測。