[發明專利]基于切換邊界補償的小天體懸停常推力控制方法

在審

• 申請號: 202111132187.7
• 申請日: 2021-09-27
• 公開（公告）號: CN113568314A
• 公開（公告）日: 2021-10-29
• 發明（設計）人: 朱圣英;隋志輝;李燾;崔平遠
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 張利萍

本發明涉及一種基于切換邊界補償的小天體懸停常推力控制方法，屬于深空探測技術領域。首先通過懸停點附近探測器所受合外力產生加速度的估計值設置位置約束邊界；其次，設計基于擬周期動態切換律的小天體懸停控制方法，求取漂移過程和主動控制過程的切換邊界，并根據切換邊界將懸停控制過程劃分為漂移過程和主動控制過程；最后，針對不確定小天體引力場條件下漂移過程中探測器狀態超出位置約束邊界和未達頂點邊界的兩種情況，基于最小二乘法對漂移過程相軌跡頂點位置進行預測，設計探測器狀態漂移過程控制補償方法，使得探測器漂移過程相軌跡頂點在位置約束邊界附近，實現探測器狀態的補償和懸停控制。

技術領域

本發明涉及一種基于切換邊界補償的小天體懸停常推力控制方法，屬于深空探測技術領域。

背景技術

通過對小天體的研究，能促進人類更深入地了解太陽系及宇宙的起源、演化和現狀，進一步認識地球環境的形成和演變，獲得空間現象和地球自然系統之間的關系，同時有利于推動地外天體防御技術的發展，小天體探測已成為航天活動中極其重要的組成部分。針對小天體探測器采用的探測方式可分為飛越、繞飛、伴飛、懸停、著陸、取樣返回等。其中，探測器定點懸停是指探測器在小天體中心固連系中的位置保持不變，一直處于小天體表面某一特定位置的上空，該技術對獲取小天體表面信息以及其他任務的進行具有重要意義，在小行星附近復雜的力學環境中，一般需要主動控制來實現。

現有小天體探測懸停控制方法中，連續推力方法由于連續推力發動機的工程困難而很難實現，常推力方法為了保證懸停精度容易造成常推力發動機頻繁點火問題，采用基于閾值控制理論的常推力控制方法探測器狀態變化較大，影響探測器觀測效果，基于相軌跡分析和階段劃分的常推力控制方法在不確知小天體引力場中魯棒性有待提高。發明人之前的論文為了解決上述問題，提出了一種懸停軌道常推力魯棒控制方法，但是該方法是在探測器相軌跡超出懸停精度邊界才進行發動機點火控制，大大降低了探測器的懸停精度，會對探測器對小行星表面的觀測效果產生較大影響。本發明對此進行了技術改進，使用最小二乘法對探測器漂移過程相軌跡進行預測，并施加自適應邊界補償點火控制，大大增加了探測器的懸停精度及控制系統的魯棒性。

發明內容

本發明的目的是為了解決上述已有技術的常推力發動機懸停過程中點火時間滯后及控制系統魯棒性差的問題，提出了一種基于切換邊界補償的小天體懸停常推力控制方法。

本發明的原理是，首先通過小天體懸停軌道動力學方程，得到懸停點附近探測器所受合外力產生加速度的估計值，并結合懸停精度要求設置位置約束邊界；其次，設計基于擬周期動態切換律的小天體懸停控制方法，求取漂移過程和主動控制過程的切換邊界，并根據切換邊界將懸停控制過程劃分為探測器常推力發動機安裝坐標系各軸上的漂移過程和主動控制過程；再次，根據設計的基于擬周期動態切換律的小天體懸停控制方法，通過漂移過程和主動控制過程隨時間的周期交替循環變化實現探測器懸停控制；最后，針對不確定小天體引力場條件下漂移過程中探測器狀態超出位置約束邊界和未達頂點邊界的兩種情況，基于最小二乘法對漂移過程相軌跡頂點位置進行預測，設計探測器狀態漂移過程控制補償方法，在周期循環控制過程中逐漸減少探測器狀態超出位置約束邊界或未達頂點邊界的位置量，使得探測器漂移過程相軌跡頂點在位置約束邊界附近，實現探測器狀態的補償和懸停控制，提高懸停精度。

基于切換邊界補償的小天體懸停常推力控制方法，包括如下步驟。

步驟一、建立小天體定點懸停軌道動力學方程，得到懸停點附近探測器所受合外力產生加速度估計值h，并結合探測器懸停控制精度要求設置位置約束邊界；

建立小天體中心固連系下探測器軌道動力學方程，對懸停點附近探測器所受合外力產生的加速度進行估計，得到估計值，并通過姿態轉換矩陣C_ba投影到探測器常推力發動機安裝坐標系得h，即