[發明專利]一種棱錐型離軌帆的構形構建與姿態控制方法

有效

• 申請號: 202111169293.2
• 申請日: 2021-10-08
• 公開（公告）號: CN113867379B
• 公開（公告）日: 2022-05-10
• 發明（設計）人: 張景瑞;張若楠;楊科瑩;李林澄
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08
• 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: 鄔曉楠

本發明公開的一種棱錐型離軌帆的構形構建與姿態控制方法，屬于航天器姿態動力學與控制領域。本發明實現方法為：考慮大氣阻力和地球形狀的環境攝動，建立基于位置矢量和四元數描述的三維軌道姿態耦合動力學模型，其中，將離軌帆視為剛體，航天器本體視為質點，迎風面積考慮氣流遮擋情況，提高動力學模型精度；并基于所述模型得到不同情況下航天器姿態穩定性和離軌效率關于棱錐型離軌帆錐角和支撐桿桿長的規律，基于所述規律分析優化棱錐型離軌帆系統構形參數，得到姿態穩定性高和離軌效率高的棱錐型離軌帆；基于上述模型和選擇的構形參數，設計四元數反饋重定位PID控制律，實現配置離軌帆的航天器相對于速度方向姿態穩定，提高離軌效率。

技術領域

本發明涉及一種棱錐型離軌帆的構形構建與姿態控制方法，涉及一種面向配置在航天器上的棱錐型離軌帆的穩定性分析和姿態控制方法，屬于航天器姿態動力學與控制領域。

背景技術

為了減少空間碎片的產生，航天器在壽命末期或完成任務后進行主動離軌被認為是一項必要的清除措施。在低地球軌道，尤其是800km以下區域，大氣阻力對航天器影響顯著，因此可以采用離軌帆裝置增大航天器的迎風面積，實現快速離軌。目前，進行樣機研制和在軌試驗的離軌帆多為平面型離軌帆，立體型離軌帆的理論研究中也少有提出使離軌效率最高的最優構型構建方法。

與平面型離軌帆相比，棱錐型離軌帆有很多優點，例如，不管姿態如何改變，帆面在垂直速度方向的投影面積都大于零，保證了離軌的有效性。本發明針對棱錐型離軌帆，考慮大氣阻力和地球形狀的環境攝動和氣流遮擋對帆面迎風面積的影響，建立離軌帆系統動力學模型，描述離軌帆系統離軌過程的運動規律；基于該模型，分析離軌帆的構形參數錐角、支撐桿桿長對航天器姿態穩定性和離軌效率的影響規律，基于所述規律分析優化棱錐型離軌帆系統構形參數，得到姿態穩定性高和離軌效率高的棱錐型離軌帆；基于上述模型和選擇的構形參數，設計四元數反饋重定位PID控制律，實現了離軌帆航天器相對于速度方向姿態穩定，進一步提高離軌效率。

發明內容

為了解決用于航天器在壽命末期或完成任務后離軌的棱錐型離軌帆離軌效率無法滿足使用需求的問題，本發明的目的之一是提供一種棱錐型離軌帆的構形構建方法，基于位置矢量和四元數描述建立棱錐型離軌帆系統三維軌道姿態耦合動力學模型，在所述棱錐型離軌帆系統三維軌道姿態耦合動力學模型中考慮氣流遮擋情況時帆面迎風面積對棱錐型離軌帆受到的大氣阻力影響，進而考慮氣流遮擋情況時的帆面迎風面積對棱錐型離軌帆軌道和姿態的影響，提高所述棱錐型離軌帆系統三維軌道姿態耦合動力學模型精度，并基于所述模型得到不同情況下姿態穩定性和離軌效率關于錐角和桿長的規律，基于所述規律分析優化棱錐型離軌帆系統構形參數，得到姿態穩定性高和離軌效率高的棱錐型離軌帆，進而提高航天器姿態穩定性和離軌效率。

在本發明提供的一種棱錐型離軌帆的構形構建方法基礎上，本發明還提供一種棱錐型離軌帆的姿態控制方法，基于一種棱錐型離軌帆的構形構建方法得到得到姿態穩定性高和離軌效率高的棱錐型離軌帆，根據優化后的棱錐型離軌帆的構形參數設計四元數反饋重定位控制律，在四元數反饋重定位控制律中考慮速度坐標系相對于本體坐標系的轉換，形成離軌帆系統的四元數反饋重定位PID控制律，使得離軌帆系統的姿態相對于速度方向穩定，實現離軌過程中棱錐型離軌帆的迎風面積保持最大，受到的大氣阻力保持最大，進一步縮短航天器離軌時間，提高航天器離軌效率。

本發明的目的通過以下技術方案實現。

本發明公開的一種棱錐型離軌帆的構形構建與姿態控制方法，考慮大氣阻力和地球形狀的環境攝動，建立基于位置矢量和四元數描述的三維軌道姿態耦合動力學模型，其中，將離軌帆視為剛體，航天器本體視為質點，迎風面積考慮氣流遮擋情況，提高所述棱錐型離軌帆系統三維軌道姿態耦合動力學模型精度；并基于所述模型得到不同情況下航天器姿態穩定性和離軌效率關于棱錐型離軌帆錐角和支撐桿桿長的規律，基于所述規律分析優化棱錐型離軌帆系統構形參數，得到姿態穩定性高和離軌效率高的棱錐型離軌帆，進而提高航天器姿態穩定性和離軌效率；基于上述模型和選擇的構形參數，設計四元數反饋重定位PID控制律，實現了配置離軌帆的航天器相對于速度方向姿態穩定，進一步提高離軌效率。