一種基于制導脈沖的交會對接軌跡安全帶確定方法
【專利摘要】一種基于制導脈沖的交會對接軌跡安全帶確定方法，首先選取任意一條由CW方程描述的交會對接標稱自由軌跡，確定CW兩脈沖制導方法的使用范圍，進而確定用于安全帶確定的軌跡段；然后劃分各安全帶的范圍，并根據計算的安全帶確定當前追蹤航天器所處的安全帶；最后根據當前追蹤航天器在安全帶中的位置，執行相應的控制指令，對追蹤航天器進行控制，本發明能夠對軌跡出現的偏差及時修正，并能實時判斷可能出現的故障，解決了近距離交會對接過程的燃料消耗和實時安全性的平衡。
【專利說明】一種基于制導脈沖的交會對接軌跡安全帶確定方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種交會對接軌跡安全帶確定方法，特別是一種基于制導脈沖的交會 對接軌跡安全帶確定方法，采用CW兩脈沖制導方法確定近距離交會對接的安全帶，適用于 近距離交會對接領域。
【背景技術】
[0002] 交會對接是一項復雜的技術，在該過程中經常有事故發生。近些年來有日本的 ETS-VII和美國的DART衛星因故障影響任務進行或任務失敗的報道。所以在交會對接過程 中，特別是在對自主交會要求逐漸提高的趨勢下，軌跡安全成為了一個重要的研究課題。
[0003] 目前，有關交會對接軌跡安全的研究主要有如下幾類：第一類是針對特殊類型的 軌跡，給出軌跡安全的條件；第二類是利用在線數值計算的方法獲得安全的軌跡；第三類 針對某些典型工況分析給出軌跡安全的充分條件或充要條件，并作為軌跡安全判斷和主動 安全控制的依據；第四類求解交會對接過程的碰撞概率。
[0004] 在實際飛行任務的近距離交會中，追蹤航天器一般是沿著規劃好的軌跡逐步靠近 目標航天器。由于求解制導策略所用的動力學方程和實際的運行環境有偏差，且導航和執 行機構都存在偏差，需要進行實時修正或間隔一定時間進行修正軌跡偏差。如果進行實時 修正，燃料消耗可能比較大，如果間隔一定時間進行軌跡修正可能無法實時應對發生的故 障。上述的研究方法無法做到實時控制和軌跡安全判斷的統一和平衡。
【發明內容】
[0005] 本方明的技術解決問題是：針對現有方法的不足，提出了一種基于制導脈沖的交 會對接軌跡安全帶確定方法，針對近距離確定軌跡的交會對接任務，提出了基于制導脈沖 的交會對接軌跡安全帶，對軌跡出現的偏差及時修正，并能實時判斷可能出現的故障，解決 了近距離交會對接過程的燃料消耗和實時安全性的平衡。
[0006] 本發明的技術解決方案是：一種基于制導脈沖的交會對接軌跡安全帶確定方法， 步驟如下：
[0007] (1)選取任意一條由CW方程描述的交會對接標稱自由軌跡；所述交會對接標稱自 由軌跡為由CW兩脈沖制導方法確定且未經修正的，用于描述追蹤航天器和目標航天器相 對運動的軌跡；
[0008] (2)根據CW兩脈沖制導方法中第一個制導脈沖的性質，確定CW兩脈沖制導方法的 使用范圍，進而確定步驟（1)選取的交會對接標稱自由軌跡中用于安全帶確定的軌跡段；
[0009] (3)計算步驟（2)中得到的軌跡段的安全帶，所述安全帶包括無控帶、修正帶、警 戒帶和緊急撤離帶；
[0010] (4)根據步驟（2)中的公式計算得到追蹤航天器CW兩脈沖制導方法中第一個制導 脈沖的在RVD坐標系中X軸和Z軸的分量Λ Vx和Λ Vz，從而根據步驟（3)中計算的安全帶 確定當前追蹤航天器所處的安全帶；
[0011] (5)根據當前追蹤航天器在安全帶中的位置，執行相應的控制指令，對追蹤航天器 進行控制，具體為：
[0012] 若當前追蹤航天器處于無控帶，則不進行制導控制；
[0013] 若當前追蹤航天器處于修正帶，則利用步驟（4)中計算的追蹤航天器CW兩脈沖制 導方法中第一個制導脈沖的在RVD坐標系中X軸和Z軸的分量Λ Vx和Λ Vz改變追蹤航天 器飛行速度的大小和方向，從而對追蹤航天器的飛行軌跡進行修正，使得追蹤航天器回歸 到無控帶；
[0014] 若當前追蹤航天器處于警戒帶，則利用步驟（4)中計算的追蹤航天器CW兩脈沖制 導方法中第一個制導脈沖的在RVD坐標系中X軸和Z軸的分量Λ Vx和Λ Vz改變追蹤航天 器飛行速度的大小和方向，從而對追蹤航天器的飛行軌跡進行修正，同時向地面發出警戒 指令；
[0015] 若當前追蹤航天器處于緊急撤離帶，則執行緊急撤離指令，對追蹤航天器施加固 定的撤離脈沖，使得追蹤航天器遠離目標航天器，避免兩個航天器發生碰撞。
[0016] 所述步驟（2)中根據CW兩脈沖制導方法中第一個制導脈沖的性質，確定CW兩脈 沖制導方法的使用范圍，進而確定步驟（1)選取的交會對接標稱自由軌跡中用于安全帶確 定的軌跡段；具體為 ：
[0017] CW兩脈沖制導方法中的第一個制導脈沖為：
【權利要求】
1. 一種基于制導脈沖的交會對接軌跡安全帶確定方法，其特征在于步驟如下： (1) 選取任意一條由CW方程描述的交會對接標稱自由軌跡；所述交會對接標稱自由軌 跡為由CW兩脈沖制導方法確定且未經修正的，用于描述追蹤航天器和目標航天器相對運 動的軌跡； (2) 根據CW兩脈沖制導方法中第一個制導脈沖的性質，確定CW兩脈沖制導方法的使用 范圍，進而確定步驟（1)選取的交會對接標稱自由軌跡中用于安全帶確定的軌跡段； (3) 計算步驟（2)中得到的軌跡段的安全帶，所述安全帶包括無控帶、修正帶、警戒帶 和緊急撤離帶； (4) 根據步驟（2)中的公式計算得到追蹤航天器CW兩脈沖制導方法中第一個制導脈沖 的在RVD坐標系中X軸和Z軸的分量AVx和Λ Vz，從而根據步驟（3)中計算的安全帶確定 當前追蹤航天器所處的安全帶； (5) 根據當前追蹤航天器在安全帶中的位置，執行相應的控制指令，對追蹤航天器進行 控制，具體為： 若當前追蹤航天器處于無控帶，則不進行制導控制； 若當前追蹤航天器處于修正帶，則利用步驟（4)中計算的追蹤航天器CW兩脈沖制導方 法中第一個制導脈沖的在RVD坐標系中X軸和Z軸的分量Λ Vx和Λ Vz改變追蹤航天器飛 行速度的大小和方向，從而對追蹤航天器的飛行軌跡進行修正，使得追蹤航天器回歸到無 控帶； 若當前追蹤航天器處于警戒帶，則利用步驟（4)中計算的追蹤航天器CW兩脈沖制導方 法中第一個制導脈沖的在RVD坐標系中X軸和Z軸的分量Λ Vx和Λ Vz改變追蹤航天器飛行 速度的大小和方向，從而對追蹤航天器的飛行軌跡進行修正，同時向地面發出警戒指令； 若當前追蹤航天器處于緊急撤離帶，則執行緊急撤離指令，對追蹤航天器施加固定的 撤離脈沖，使得追蹤航天器遠離目標航天器，避免兩個航天器發生碰撞。
2. 根據權利要求1所述的一種基于制導脈沖的交會對接軌跡安全帶確定方法，其特征 在于：所述步驟（2)中根據CW兩脈沖制導方法中第一個制導脈沖的性質，確定CW兩脈沖制 導方法的使用范圍，進而確定步驟（1)選取的交會對接標稱自由軌跡中用于安全帶確定的 軌跡段；具體為 ： CW兩脈沖制導方法中的第一個制導脈沖為：
式中，Λ Vx和Λ Vz為第一個制導脈沖在RVD坐標系中X軸和Z軸的分量，ωτ為目標航 天器的軌道角速度，x〇和Ztl分別為交會對接標稱自由軌跡初始時刻在RVD坐標系中X軸和 z軸的位置，矣和4分別為交會對接標稱自由軌跡初始時刻在RVD坐標系中X軸和z軸的 速度，Xf和Zf分別為交會對接標稱自由軌跡末端時刻在RVD坐標系中X軸和Z軸的位置， t為CW兩脈沖制導的轉移時間； 確定第一個制導脈沖兩個公式中分母等于預先設定的閾值ε時所對應的轉移時間， 進而確定交會對接標稱自由軌跡安全帶確定的軌跡段；即在交會對接標稱自由軌跡中去除 距末端的時間小于等于由閾值ε確定的轉移時間所對應的軌跡段，所述〇〈ε <0.0012。
3.根據權利要求1所述的一種基于制導脈沖的交會對接軌跡安全帶確定方法，其特征 在于：所述步驟（3)中計算步驟（2)中得到的軌跡段的安全帶，所述安全帶包括無控帶、修 正帶、警戒帶和緊急撤離帶，具體過程為： 各安全帶的表達式如下： i) 無控帶：| AVx| + | AVzI 彡 V1 ii) 修正帶 Wl AVxM AVzI 彡 V2 iii) 警戒帶:V2〈| Λνχ| + | AVzI SV3 iv) 緊急撤離帶：| AVx| + | AVz|>V3 式中，Vp V2和V3分別為安全帶劃分閾值，具體表達式如下： V1 = I Δνχ|-+| Λνζ|-+δι V2= I Δνχ|"χ+| AVjfflax+δ 2 V3= I Δνχ|"χ+| AVzIfflax+δ 3 δ" 62和63為預先設定的修正值，I AVxImax和I AVzImax具體由公式：
給出，其中 Y lmax、Y 2max、Y 3max、入 Imax、入 2max 和入 3max 分力lJ為 Yl、丫2、丫3、入 1、入 2 和入 3 的最大值，Y P Y 2、Y 3、λ 1、λ 2和λ 3由公式：
給出。
【文檔編號】B64G3/00GK104229161SQ201410419422
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年8月22日 優先權日:2014年8月22日
【發明者】陳長青, 梁靜靜, 解永春, 王敏, 蘇晏 申請人:北京控制工程研究所