[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

本發明公開了一種航天器抵近操作路徑規劃方法，包括：確定路徑規劃中的障礙類型；對航天器抵近路徑規劃問題進行算法描述和約束分析，生成采樣狀態空間；對采樣狀態空間進行橢圓化處理；對橢圓化處理后的采樣狀態空間進行安全性分析；對經過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；對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。本發明針對在軌服務航天器抵近操作空間目標的路徑規劃問題，通過將安全性分析提到路徑規劃的給定條件中，可以大大簡化路徑規劃的循環過程，提高路徑規劃效率，有效解決了采樣空間本身的高維性和不確定性的影響，改善路徑規劃算法的性能。

技術領域

本發明涉及一種航天器抵近操作路徑規劃方法，屬于航空航天技術領域，用于在軌服務航天器抵近操作目標的路徑規劃。

背景技術

路徑規劃是指生成一個決策的序列，將目標從給定的初始狀態安全地引導到目標狀態。路徑規劃在機器人領域應用十分廣泛，積累了大量的研究成果。這些路徑規劃算法的框架是通用的，因此這些研究成果可以被應用到衛星的路徑規劃上。路徑規劃大致可以分為兩類：一類是幾何完備型的，又稱精確路徑規劃；另一類是概率完備型的，就是在有解的情況下，當樣本點數目趨于無窮大，找到解的概率趨于100％，也稱作基于采樣的路徑規劃。

精確路徑規劃通常直接在狀態空間上進行規劃，以深度優先尋路算法、廣度優先尋路算法、D算法為始祖，以A*算法最為常用。其優勢在于它對系統解的捕獲能力是完全的，但是由此產生的缺點就是算法復雜度較大。這種缺點在低維空間上并不明顯，但是在大尺度，尤其是高維空間規劃問題上，將帶來巨大的計算代價。由于實際工作空間到狀態空間的映射是非線性的，在狀態空間中表征障礙和約束是十分麻煩的，通常的做法是對空間進行離散化，對離散后的各部分進行檢測，但正如前面所講，這種離散在低維空間還好，在高維空間將帶來難以想象的復雜計算。因此，當狀態空間維數大于3時，精確路徑規劃基本就沒有實用價值了，也直接促使了第二類路徑規劃算法的產生。

基于采樣的路徑規劃一般不直接在狀態空間內進行規劃，而是通過在狀態空間中隨機布置一定密度的樣本空間來逼近原始狀態空間進行輔助規劃。這類規劃也分成兩種：一種是基于圖的路徑規劃，如概率路線圖(PRM)算法及其改進就是在原始空間內進行撒點，抽取路線圖，在這樣一個拓撲地圖上進行規劃；另一種是基于樹的路徑規劃，如快速探索隨機樹(RRT)算法及其改進則是在狀態空間內每步隨機撒一個點，以迭代生長樹的方式，以連接起止點為目的，最后在連接的圖上進行規劃。無論是基于圖還是基于樹，它們均不需要考慮障礙物在空間中的分布情況，而是采用碰撞檢測函數對幾個隨機采樣點進行碰撞檢測，規劃速度相當快，在任意維數的空間中都可以使用，特別是在高維空間路徑規劃中得到了廣泛應用。

對接觸消旋而言，在軌服務衛星需要抵近到目標附近操作，這將會帶來很大的不確定性風險，需要平臺具備近乎實時的規劃能力以及隨時中止任務的可行性，以便平臺能夠快速安全地應對各種不確定性影響。由于在狀態空間中表征障礙和約束的計算復雜性，精確路徑規劃通常僅限于低維度和簡單形狀障礙；而基于采樣的路徑規劃不需要對障礙和約束進行顯式表達，而是通過結合搜索的采樣程序探索路徑，并通過碰撞檢測程序進行安全驗證。這種處理方式，使得路徑規劃問題與實際物理幾何問題分離，大大加快了規劃速度，但相對應的，提升規劃速度的代價是基于采樣的方法得到的解是可行解，而不是最優解。雖然只是可行解，但考慮到概率的漸進最優特征，這個可行解會收斂到最優解上，也就是說，隨著采樣數量的增加，生成的規劃路徑會逐漸逼近最優路徑，因此，基于采樣的路徑規劃得到的是漸進最優的可行解。