[發明專利]基于橢球體描述的航天器避障控制方法

在審

• 申請號: 202010650580.4
• 申請日: 2020-07-08
• 公開（公告）號: CN112000132A
• 公開（公告）日: 2020-11-27
• 發明（設計）人: 曹璐;冉德超;劉勇;王建;張飛;王凱
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍軍事科學院國防科技創新研究院
• 主分類號: G05D1/12
• 分類號: G05D1/12;G05D1/10;G05B13/04;B64G1/24
• 代理公司: 北京奧文知識產權代理事務所(普通合伙) 11534
• 代理人: 張文;苗麗娟

本發明公開了一種基于橢球體描述的航天器避障控制方法。該方法用于實現目標航天器和跟蹤航天器的自主避障，包括步驟：建立坐標系、建立相對動力學方程、確定障礙物和跟蹤航天器的最短距離、建立人工勢函數、計算吸引控制力、計算排斥控制力和計算總控制力。本發明的基于橢球體描述的航天器避障控制方法采用橢球體描述航天器與障礙物外形，能夠提升建模精度以提高航天器控制精度；同時，通過運用Sigmoid函數設計斥力勢函數以生成避障控制力，通過運用狀態依賴黎卡提方程設計吸引勢函數以生成吸引控制力，利用終端滑模控制理論完成相應控制器的一體化設計，能夠實現航天器的快速避障控制，控制精度高，燃料消耗率低，能適用于航天器的在軌實時運行。

技術領域

本發明涉及航天器運動控制技術領域，具體涉及一種基于橢球體描述的航天器避障控制方法。

背景技術

近年來，航天器在軌失效事件日漸增多，為了降低在軌失效事件發生的概率，延長航天器工作年限，提高工作性能，越來越多的在軌服務被應用于航天器，而航天器近距離操作作為一項支撐在軌服務的基本技術，航天器近距離操作需滿足嚴格的安全性要求。

隨著人類太空活動的增加，太空環境正在惡化，越來越多的空間碎片、航天飛機垃圾和失敗航天器成為航天器空間交會和操作的致命障礙。為此，航天器在空間中作業時，需要對航天器進行嚴格控制，以保證航天器能夠避開障礙物，實現無碰撞交會和操作。

目前，主要采用兩種方法來實現航天器的避障控制；第一是以球體對障礙物進行外包絡描述，將航天器躲避障礙物的控制問題轉化為多路徑約束的優化問題，再采用最優理論進行求解。例如采用混合線性規劃理論對預測控制算法進行改進，得到一種解決燃料消耗的航天器避障策略；在此基礎上，討論基于連續二次規劃方法來求解自主交會最優控制的非線性約束，并考慮路徑規劃算法來設計燃料最優的安全軌跡，實現避障路徑的優化目標。第二是利用人工勢函數開展避撞控制設計，以球體對障礙物進行外包絡描述，通過設計代價函數使目標函數進行最小化設計實現航天器的自主避障控制。

發明人發現現有技術至少存在以下問題：

基于最優理論的航天器避撞控制方法無法有效保障控制結果對避障目標的安全性，并且采用最優理論進行避障控制設計，計算復雜度高，不適于航天器的在軌實時運行；利用人工勢函數的避障控制方法，雖然計算量小，但無法采用優化策略，導致控制策略的能量消耗無法實現最優，航天器的燃料消耗較大；并且現有方法采用簡單球體對障礙物進行外包絡描述，描述精度較差，導致控制誤差較大。

發明內容

為解決上述現有技術中存在的技術問題，本發明提供一種基于橢球體描述的航天器避障控制方法。

為此，本發明公開了一種基于橢球體描述的航天器避障控制方法，所述方法用于實現服務航天器的自主避障，服務航天器包括目標航天器和跟蹤航天器，所述方法包括如下內容：

建立坐標系：建立歷元J2000地球慣性坐標系，并在地球慣性坐標系的基礎上建立目標航天器的軌道坐標系；

建立相對動力學方程：在軌道坐標系下，建立跟蹤航天器和目標航天器的相對運動方程，確定跟蹤航天器的狀態矢量，獲取目標航天器與跟蹤航天器的相對動力學方程；

確定障礙物和跟蹤航天器的最短距離：采用橢球體對障礙物和跟蹤航天器的外包絡進行描述，確定障礙物和跟蹤航天器的外包絡橢球體的結構方程，基于橢球體的結構方程確定障礙物外包絡橢球體與跟蹤航天器外包絡橢球體間的最短歐式距離；

建立人工勢函數：基于橢球體的結構方程，建立包括引力勢函數和斥力勢函數的人工勢函數；

計算吸引控制力：利用狀態依賴黎卡提方程和終端滑膜控制理論計算確定吸引控制力；

計算排斥控制力：對斥力勢函數進行求導處理，計算確定排斥控制力；