一種考慮碰撞規避的航天器脈沖機動優化方法

本發明涉及考慮碰撞規避的航天器脈沖機動優化方法。本發明屬于衛星軌道控制領域。

背景技術：

1、隨著空間技術的不斷發展，空間環境中的人造物體越來越多，在軌空間碎片不斷增加。到2020年為止，記錄的直徑大于5cm的在軌空間目標就已經超過20000個，同時包括美國spacex的“星鏈”計劃在內的巨型星座計劃也使得空間環境日益擁擠。一方面不斷增加的空間碎片將對在軌工作航天器產生嚴重威脅，另一方面，在軌航天器也面臨同空間中其他非合作航天器的碰撞的風險，需要一種航天器脈沖機動快速求解方法，實現航天器碰撞規避任務。

2、對于碰撞規避問題，目前基于脈沖的碰撞規避策略主要基于優化方法，并將碰撞規避約束處理為安全距離約束與碰撞概率約束，對于時間較短的突發碰撞風險，規劃避碰脈沖需要一定的時間。

技術實現思路

1、本發明的目的是為了解決現有方法求解航天器燃料最優的碰撞規避脈沖時間較長的問題，而提出一種考慮碰撞規避的航天器脈沖機動優化方法。

2、一種考慮碰撞規避的航天器脈沖機動優化方法具體過程為：

3、步驟一、基于可達域包絡模型，構建脈沖時間固定的單脈沖碰撞規避問題優化模型；

4、步驟二、基于步驟一的優化模型，利用牛頓迭代方法求解給定避碰時刻下航天器最小脈沖；

5、步驟三、對步驟二中的避碰時刻進行一維搜索，得到最優避碰時間基于最優避碰時間得到避碰時間自由的最小脈沖。

6、本發明的有益效果為：

7、本發明利用可達域的實現航天器的碰撞規避脈沖的快速計算。其中可達域是軌道動力學下所有可達點的集合，目前，可達域的分析已被用于不確定性傳播、碰撞概率計算、航天器間博弈等各種場景。航天器在獲得來襲目標的可達域信息后，可以進行變軌以規避目標威脅。基于可達域的碰撞規避方法具有獨特的優勢，即可以清晰地得到航天器與可達域之間的幾何關系，進而可以直觀地判斷航天器是否能夠真正的實現對非合作目標的碰撞規避任務。

8、本發明提出了一種考慮碰撞規避的航天器最小燃料碰撞規避脈沖快速計算方法。本方法采用橢球近似描述測量不確定性下非合作目標的可達域包絡，進而構建了航天器碰撞規避最小燃料脈沖優化問題框架，并利用半解析方法計算了航天器碰撞規避的所需要最小燃料脈沖解。針對采用脈沖推力的航天器與存在測量不確定性的非合作目標，本發明提出的策略可提供有效的解決方案。

9、本發明提出了一種考慮碰撞規避的航天器最小燃料碰撞規避脈沖快速計算方法。在本發明中基于二體狀態轉移矩陣，解析的求解了非合作目標在給定時刻下的由不確定性導致的可達域橢球包絡。進而，對于給定脈沖時刻，通過求解一個二維非線性方程，使得航天器滿足碰撞規避約束，并進一步將碰撞規避最小脈沖問題簡化為一個一維搜索問題，采用本發明所提出的策略求解航天器與非合作目標間的脈沖碰撞規避問題，可在快速給出航天器實現碰撞規避所需要的最小燃料脈沖解。

10、本發明可以滿足空間中突發碰撞風險下，對于航天器最小碰撞規避脈沖的快速規劃的需要。

技術特征：

1.一種考慮碰撞規避的航天器脈沖機動優化方法，其特征在于：所述方法具體過程為：

2.根據權利要求1所述的一種考慮碰撞規避的航天器脈沖機動優化方法，其特征在于：所述步驟一中基于可達域包絡模型，構建脈沖時間固定的單脈沖碰撞規避問題優化模型；

3.根據權利要求2所述的一種考慮碰撞規避的航天器脈沖機動優化方法，其特征在于：所述步驟二中基于步驟一的優化模型，利用牛頓迭代方法(29)求解給定避碰時刻下航天器最小脈沖；

4.根據權利要求3所述的一種考慮碰撞規避的航天器脈沖機動優化方法，其特征在于：所述步驟二三的雅各比矩陣中

5.根據權利要求4所述的一種考慮碰撞規避的航天器脈沖機動優化方法，其特征在于：所述步驟二三中式(29)中一組角度的初值θ(0)與通過坐標獲得；

技術總結
一種考慮碰撞規避的航天器脈沖機動優化方法，本發明涉及考慮碰撞規避的航天器脈沖機動優化方法。本發明屬于衛星軌道控制領域。本發明的目的是為了解決現有方法求解航天器燃料最優的碰撞規避脈沖時間較長的問題。過程為：步驟一、基于可達域包絡模型，構建脈沖時間固定的單脈沖碰撞規避問題優化模型；步驟二、基于步驟一的優化模型，利用牛頓迭代方法求解給定避碰時刻下航天器最小脈沖；步驟三、對步驟二中的避碰時刻進行一維搜索，得到最優避碰時間，基于最優避碰時間得到避碰時間自由的最小脈沖。

技術研發人員：張剛,歷鑒,李化義,吳寶林
受保護的技術使用者：哈爾濱工業大學
技術研發日：
技術公布日：2024/10/14