一種存在測量誤差下的航天器雨滴形狀懸停構(gòu)型控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于航天器的懸停構(gòu)型控制方法，更特別地說，是指存在測量 誤差情況下的航天器雨滴形狀懸停構(gòu)型控制方法，屬于航天器在軌服務(wù)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 航天器在軌服務(wù)技術(shù)在我國航天領(lǐng)域?qū)儆谝粋€新的研宄方向。航天器在軌服務(wù) (On-OrbitServicing，00S)是指在空間通過人、機器人或兩者協(xié)同完成涉及延長各種航 天器壽命、提升執(zhí)行任務(wù)能力的一類空間操作。根據(jù)在軌服務(wù)的定義，從內(nèi)容上來說，航天 器在軌服務(wù)主要包括在軌裝配、在軌維護(hù)和后勤支持三類任務(wù)。參見陳小前等著，中國宇航 出版社于2009年1月第1版出版的《航天器在軌服務(wù)技術(shù)》第3頁內(nèi)容。
[0003] 近年來開展的在軌服務(wù)試驗計劃已經(jīng)演示或驗證了航天器的服務(wù)任務(wù)，如逼近繞 飛、自主交會對接、在軌檢查與維護(hù)、在軌維修與營救、模塊更換、在軌加注、有效載荷補給、 軌道清理、非合作目標(biāo)操作等，說明航天器在軌服務(wù)的發(fā)展有較充分的技術(shù)支撐和廣闊的 應(yīng)用空間。不同的服務(wù)任務(wù)需要不同的服務(wù)操作技術(shù)來執(zhí)行。對于同一操作技術(shù)，在不同的 任務(wù)環(huán)境和條件下也有不同的要求。因此，在軌服務(wù)操作技術(shù)應(yīng)緊密結(jié)合具體的服務(wù)任務(wù) 需求進(jìn)行研宄。執(zhí)行上述在軌服務(wù)任務(wù)時，最終接近段是決定在軌服務(wù)任務(wù)能否順利實施 的關(guān)鍵階段，這一階段經(jīng)常會使用"懸停"技術(shù)，使任務(wù)航天器在懸停點長期穩(wěn)定地運行，等 到時機條件成熟時再進(jìn)行下一階段工作。"懸停"增強了在軌服務(wù)任務(wù)執(zhí)行的安全可靠性。 因此，任務(wù)航天器（ChasingSatellite，CS)對目標(biāo)航天器（ReferenceSatellite，RS)的 懸停飛行成為這一階段的關(guān)鍵技術(shù)。
[0004] 所謂懸停是指在一段時間內(nèi)，在指定坐標(biāo)系中，任務(wù)航天器CS相對目標(biāo)航天器RS 仿佛是靜止于某個固定點上。此時，任務(wù)航天器CS相對于目標(biāo)航天器RS的構(gòu)型稱為懸停 構(gòu)型。
[0005] 2014年11月在《航空學(xué)報》上發(fā)表的"航天器懸停構(gòu)型設(shè)計與控制方法"，作者： 饒殷睿等。該文中公開了基于相對軌道要素的雨滴形狀懸停構(gòu)型的設(shè)計與控制方法，并給 出了任務(wù)航天器在不同懸停軌道間轉(zhuǎn)移的實現(xiàn)過程。
[0006] 2011年10月25日在《航空學(xué)報》上發(fā)表的"基于相對軌道要素的橢圓軌道衛(wèi)星 相對運動研宄"，作者：韓潮，殷建豐。在該文中介紹了相對軌道要素的定義。
[0007] 目前，針對航天器在軌服務(wù)任務(wù)中涉及到的懸停技術(shù)的研宄，主要是對懸停構(gòu)型 進(jìn)行設(shè)計及初始化，但并沒有考慮到任務(wù)航天器CS通過測量設(shè)備得到的相對于目標(biāo)航天 器RS的測量數(shù)據(jù)存在誤差的情況。測量誤差是指任務(wù)航天器CS與目標(biāo)航天器RS之間的 相對距離測量誤差和角度測量誤差。由于距離測量誤差和角度測量誤差的存在，會造成實 際的懸停位置與設(shè)計的懸停位置出現(xiàn)偏差，不能滿足懸停任務(wù)要求。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008] 本發(fā)明提出了一種存在測量誤差下的航天器雨滴形狀懸停構(gòu)型控制方法，該方法 是為了解決在軌服務(wù)（00S)的最終接近段所涉及到的懸停任務(wù)中，任務(wù)航天器（CS)與目標(biāo) 航天器（RS)在雨滴形狀懸停構(gòu)型條件下，由于測量誤差導(dǎo)致的任務(wù)航天器相對于目標(biāo)航 天器的測量軌跡與理論軌跡之間的偏差。本發(fā)明依據(jù)懸停構(gòu)型脈沖閉環(huán)控制策略來修正測 量誤差造成的位置偏差影響，以滿足懸停任務(wù)需求，其方法更加符合實際工程應(yīng)用。
[0009] 本發(fā)明提出了一種存在測量誤差下的航天器雨滴形狀懸停構(gòu)型控制方法，其特征 在于包括有下列步驟：
[0010] 步驟一：設(shè)置雨滴形狀懸停構(gòu)型的初始參數(shù)；
[0011] 雨滴形狀懸停構(gòu)型涉及到的參數(shù)采用集合形式表達(dá)為HFP= {a,e,i,D，《，M,xh。 _yh_zhOTOT, △T}，其中，a表示半長軸；e表示偏心率；i表示軌道傾角；Q表示升交點赤 經(jīng)；w表示近地點幅角；M表示平近點角；示跡向距離；yhOTea^示法向距離；zhOTea^ 示徑向距離；AT表示控制周期；
[0012] 步驟二：計算任務(wù)航天器相對于目標(biāo)航天器的位置測量值；
[0013] 步驟三：基于測量誤差的懸停構(gòu)型脈沖閉環(huán)控制策略；
[0014] 步驟四：修正雨滴形狀懸停構(gòu)型；
[0015] 當(dāng)目標(biāo)航天器RS的煒度輻角到達(dá)所述wtj時，將徑向脈沖Svz和跡向脈沖Svx 加載到任務(wù)航天器CS上，從而對雨滴懸停構(gòu)型進(jìn)行修正；
[0016] 步驟五：判斷用于修正雨滴形狀懸停構(gòu)型的脈沖次數(shù)是否達(dá)到要求；
[0017] 若j<K，則重復(fù)執(zhí)行步驟一至步驟四；脈沖次數(shù)j= 1，2,3，...，K，K為脈沖控制 總次數(shù)。
[0018] 若j=K，則完成為修正測量誤差造成的懸停位置偏差的懸停構(gòu)型控制。
[0019] 在步驟二中，首先采集各個時刻任務(wù)航天器CS相對于目標(biāo)航天器RS的距離r、俯 仰角0，方位角爐的測量值；然后將所述測量值映射到坐標(biāo)系〇。_^2。下，得到相對位置的 測量值；最后將所述相對位置測量值通過相對軌道要素轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行處理，得到h時刻任 務(wù)航天器CS相對于目標(biāo)航天器RS的相對軌道要素的測量值量。
[0020] 在步驟三中，利用^時刻任務(wù)航天器CS相對于目標(biāo)航天器RS的相對軌道要素的 測量值來構(gòu)建測量軌跡；然后將所述測量軌跡與理論軌跡作比，獲得軌跡交點R、 以及所述軌跡交點R對應(yīng)時刻目標(biāo)航天器的煒度輻角;然后將與式（2)結(jié) 合，得到跡向距離偏差A(yù)/二.和徑向距離偏差;最后在軌跡交點R處加載徑向脈 沖6Vz和跡向脈沖6vx來修正跡向距離偏差八/二瞻和徑向距離偏差的移動。
[0021] 本發(fā)明提出的懸停構(gòu)型控制方法有益效果在于：
[0022] ①本發(fā)明方法考慮到航天器上的測量儀器的精度以及航天器的實際運行情況，給 出了測量誤差影響下的懸停構(gòu)型脈沖閉環(huán)控制策略，通過該控制策略，任務(wù)航天器（CS)能 夠相對于目標(biāo)航天器（RS)在指定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)長期懸停。
[0023] ②本發(fā)明方法采用的懸停構(gòu)型脈沖閉環(huán)控制策略，與傳統(tǒng)的連續(xù)推力控制策略相 比，懸停構(gòu)型控制過程簡單，符合工程實際，且易于工程實現(xiàn)。
[0024] ③對于本發(fā)明方法給出的在考慮測量誤差的情況下，任務(wù)航天器（CS)相對于目 標(biāo)航天器（RS)在指定區(qū)域懸停一段時間的懸停構(gòu)型控制，通過仿真能夠演示出任務(wù)航天 器（CS)執(zhí)行懸停任務(wù)的整個過程，便于工程參考和應(yīng)用。
【附圖說明】
[0025] 圖1是雨滴形狀懸停構(gòu)型三維示意圖。
[0026] 圖2是本發(fā)明存在測量誤差下的航天器雨滴形狀懸停構(gòu)型中測量軌跡與理論軌 跡的示意圖。
[0027] 圖3是本發(fā)明存在測量誤差下的航天器雨滴形狀懸停構(gòu)型控制的流程圖。
[0028] 圖4是依據(jù)本發(fā)明方法進(jìn)行懸停構(gòu)型脈沖閉環(huán)控制的仿真結(jié)果圖。
【具體實施方式】
[0029] 下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0030] 對于雨滴形狀懸停構(gòu)型是參考了 2014年11月在《航空學(xué)報》上發(fā)表的"航天器 懸停構(gòu)型設(shè)計與控制方法"，作者饒殷睿等。在本發(fā)明中，將所述雨滴形狀懸停構(gòu)型記為圖 1，圖中的雨滴尖點P/中的下角標(biāo)1為任務(wù)航天器的標(biāo)識。參見圖1所示，目標(biāo)航天器RS 的質(zhì)心軌道坐標(biāo)系記為原點0。在目標(biāo)航天器RS的質(zhì)心，z。軸指向地心，x。軸在 軌道平面內(nèi)，垂直于z。軸指向目標(biāo)航天器RS運動方向，y。軸與x。軸、z。軸滿足右手定則。 在0。1。5^。下，雨滴形狀懸停構(gòu)型中，雨滴尖點記為刁7'，雨滴頂點記為S/，脈沖次數(shù)j= 1，2, 3, . . .，K，K為脈沖控制總次數(shù)。雨滴尖點在平面X()y。上的投影記為Pxy，雨滴頂點 .S/+在平面X()y。上的投影記為Sxy。針對航天器在軌服務(wù)任務(wù)對懸停技術(shù)的需求，本發(fā)明解 決的技術(shù)方案是存在"測量誤差"前提下，通過設(shè)計基于測量誤差的懸停構(gòu)型脈沖閉環(huán)控制 策略，對雨滴形狀懸停構(gòu)型的位置進(jìn)行修正，以滿足任務(wù)的要求，更符合實際工程應(yīng)用。
[0031] 在本發(fā)明中，將在第j次脈沖加載下，任務(wù)航天器CS進(jìn)入雨滴時刻記為^，離開 雨滴時刻記為/i,;在d與之間存在有懸停任務(wù)的多個時刻點分別記為ti，t2,...，tN。 1^表不懸停任務(wù)的第一個時刻點；12表不懸停任務(wù)的第二個時刻點；t]^表不懸停任務(wù)的最 后一個時刻點，N為測量點總次數(shù)。為了方便說明，^也稱為懸停任務(wù)的任意一個時刻點。
[0032] 本發(fā)明提出的存在測量誤差下的航天器雨滴形狀懸停構(gòu)型控制方法，首先依據(jù)雨 滴形狀懸停構(gòu)型的設(shè)計方法，給出了懸停構(gòu)型的理論軌跡，然后采集任務(wù)航天器CS對目標(biāo) 航天器RS進(jìn)行相對測量過程中存在測量誤差的測量數(shù)據(jù)，再通過懸停構(gòu)型脈沖閉環(huán)控制 策略對所述的雨滴形狀懸停構(gòu)型進(jìn)行修正，最后實現(xiàn)任務(wù)航天器CS相對于目標(biāo)航天器RS 在指定位置下的長期懸停。在本發(fā)明中采用懸停構(gòu)型脈沖閉環(huán)控制策略