一種航天器在軌服務觀測空間目標局部范圍的時間和燃料脈沖最優遍歷方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及航天器軌道控制，特別涉及一種航天器在軌服務觀測空間目標局部范 圍的時間和燃料脈沖最優遍歷方法。
【背景技術】
[0002] 當今航天領域的一個重要研究熱點就是航天器的近距離相對軌道在軌服務控制， 常被應用到編隊飛行、在軌維護、交會對接、跟蹤觀測等空間任務。隨著航天技術的逐步發 展，在軌服務空間任務的復雜程度有所提升，同時，空間操作的精細化要求也大大提高。在 對空間目標執行跟蹤觀測任務時，不僅僅要求對目標的整體情況有充分的了解，有時還要 求對目標的某一局部范圍有多個方位的詳細觀測結果，如對目標特征標志的識別，對目標 老化或故障部件的外部觀測等。
[0003] 航天器在軌服務期間的軌道控制的方式有連續控制和脈沖控制，連續的控制方式 在實際的工程應用中并不多，并且受限，而脈沖控制是更常用的控制方式，通過在合適的脈 沖點處施加速度脈沖以使軌道發生改變。如今運載火箭的運載能力非常有限，航天器的質 量和體積都受到了嚴格的限制，從而限制了航天器所能攜帶的燃料，因此在執行空間任務 時不得不考慮燃料消耗的問題，但又不能因為一味地減少燃料消耗，因為這樣必然會導致 執行任務的時間大大增加，所以在制定空間任務方案時，需要綜合考慮時間和燃料消耗這 兩個重要因素。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是為了在綜合考慮時間和燃料消耗最優的情況下，對空間目標某一 局部范圍進行多方位在軌服務觀測的問題，而提出了一種航天器在軌服務觀測空間目標局 部范圍的時間和燃料脈沖最優遍歷方法。
[0005] 上述的發明目的是通過以下技術方案實現的：
[0006] 步驟一、不考慮攝動的情況下，在目標s處于圓軌道上，得到追蹤航天器的相對軌 道運動模型描述成C-W方程；根據C-W方程的得到追蹤航天器相對位置r (t)和相對速度 H/)的狀態轉移方程；
[0007] 步驟二、根據任務要求確定所要觀測的局部范圍中心的方向為觀測中心線方向， 在與觀測中心線垂直的平面內兩個相互垂直的方向上各存在M°的角度的范圍，將M°的 角度的范圍均分為1X1個細分的網格，底面為m° Xm°的曲面，其中m° =M° /1;
[0008] 步驟三、采用螺旋形式的遍歷順序對所有細分網格進行遍歷；
[0009] 步驟四、優化求解；根據螺旋形式的遍歷順序，利用追蹤航天器相對位置r(t)和 相對速度的狀態轉移方程；將在綜合遍歷時間和燃料消耗情況下求解最優遍歷方案的 問題轉化成非線性規劃問題；
[0010] 步驟五、實現脈沖控制；執行任務時，利用非線性規劃問題得到的決策變量，在相 應時間間隔At 1之后，將追蹤航天器的所有脈沖點上沿相對運動坐標系三個軸方向施加的 速度脈沖根據執行機構的實時情況轉化成相應的速度脈沖施加給追蹤航天器，從而通過脈 沖控制追蹤航天器來完成整個任務。
[0011] 發明效果
[0012] 本發明采用脈沖控制的方式，基于時間一燃料最優的標準，控制追蹤航天器對空 間目標局部范圍內的所有細分網格進行遍歷，從而實現多方位的在軌服務觀測。
[0013] 對于本發明所研究的問題，需要從多個方位對目標的某一局部范圍做全面觀測， 所以需要追蹤航天器在每個細分網格對目標的這一局部范圍都有觀測數據。從完成整個任 務的時間和燃料消耗盡可能少的實際需求出發，需要在時間和燃料消耗最優的情況下，控 制追蹤航天器遍歷所有網格。要控制追蹤航天器遍歷所有細分網格，而每一個網格在空間 中都是一個類似四棱臺的形狀，所謂遍歷網格，只需讓追蹤航天器的軌跡至少包含每個網 格空間中的一個點即可，若直接去每個網格空間中找一個代表點，然后控制追蹤航天器依 次轉移到這些代表點上即能完成遍歷任務，但是還要考慮總時間和燃料消耗最優的問題， 所以對這些三維坐標點進行尋優將是一個非常漫長的過程，很難找到滿意的結果，因此，需 要對每個網格空間中代表點的選取進行一些簡化。
[0014] 本發明的脈沖控制：發動機短時工作情況下的軌道控制，由于發動機工作的時間 比軌道飛行周期短得多，因而可以視為是脈沖作用。本發明的遍歷路徑規劃：在滿足某種性 能評價指標最優或準優的前提下，尋找到一條能夠經過所有工作區域（點）的路徑；
[0015] 本發明非線性規劃問題：研究多元實函數在有非線性約束條件下的極值問題，包 含決策變量、目標函數和約束條件三個部分，其中決策變量即待優化的參數，目標函數即問 題所關心的目標與決策變量間的函數關系，約束條件包括線性或非線性的等式約束或不等 式約束。本發明設置在每個網格空間的中心線上選取代表點作為遍歷點，這樣將三維空間 找點的過程簡化到一維，然后只在這些遍歷點上施加速度脈沖控制，從而使追蹤航天器依 次轉移到這些遍歷點上，完成對目標局部范圍多方位的觀測任務。
[0016] 目前常用的相對軌道運動形式有懸停（追蹤航天器與目標保持相對位置始終不 變）、伴隨飛行（追蹤航天器圍繞目標附近某點進行封閉軌跡飛行）和繞飛（伴隨飛行的一 種特殊情況，封閉軌跡的中心是目標質心）等，但是針對本發明專利所研究的如何控制追 蹤航天器對空間目標局部范圍做多方位觀測的問題，懸停的形式無法進行多方位觀測，繞 飛的形式針對的是全局觀測，而用伴隨飛行的形式來解決本發明專利研究的問題時，一條 封閉軌跡可能無法包含目標局部范圍內的所有網格，在考慮時間一燃料最優的情況下通過 變軌來切換多條封閉軌跡就勢必會出現設計參數困難的問題。
[0017] 關于衛星遍歷這個方面的研究，現在主要考慮的是應用在衛星接近星座中多顆衛 星的場合，一些無需變軌而與多顆衛星交會的方法中，這些衛星之間需要存在特殊的相位 關系，如相位同構星座，因此存在一定的局限性，而且這些方法所研究的都是遍歷慣性坐標 系中與時間有關的位置點，而本發明所研究的是遍歷相對坐標系中的空間網格，只需整個 遍歷軌跡至少包含每個網格空間中的一個點即可，因此可以設計和優化的空間更大。
[0018] 本發明在基于時間一燃料最優這個標準對遍歷方案進行優化時，合理地簡化為在 每個細分網格的中心線上選取遍歷點，這樣就將三維空間找點的過程簡化到一維，然后只 需依次在這些遍歷點上施加脈沖控制。整個問題轉化為對遍歷點位置和脈沖間隔時間優化 的非線性規劃問題，使用MATLAB中的fmincon函數就可以方便求解。
【附圖說明】
[0019] 圖1為【具體實施方式】二提出的相對運動坐標系與地心慣性坐標系的關系圖
[0020] 圖2為【具體實施方式】二提出的觀測坐標系與觀測范圍示意圖；
[0021] 圖3(a)為【具體實施方式】三提出的偶數情況旋進方式起始點示意圖；
[0022] 圖3(b)為【具體實施方式】三提出的偶數情況旋出方式起始點示意圖；
[0023] 圖4為【具體實施方式】三提出的奇數情況起始點10° X 10°示意圖；
[0024] 圖5為實施例一提出的細分網格3X3,觀測中心線為-X軸的空間軌跡示意圖；
[0025] 圖6為實施例一提出的細分網格3X3,觀測中心線為-X軸的空間軌跡局部放大 圖；
[0026] 圖7為實施例一提出的細分網格3X3,觀測中心線為-Z軸的空間軌跡示意圖；
[0027] 圖8為實施例一提出的細分網格3X3,觀測中心線為-Z軸的空間軌跡局部放大 圖；
[0028] 圖9為實施例一提出的細分網格IOX 10,觀測中心線為-X軸的空間軌跡示意圖；
[0029] 圖10為實施例一提出的細分網格IOX 10,觀測中心線為-X軸的空間軌跡局部放 大圖；
[0030] 圖11為實施例一提出的細分網格IOX 10,觀測中心線為-Z軸的空間軌跡示意 圖；
[0031] 圖12為實施例一提出的細分網格IOX 10,觀測中心線為-Z軸的空間軌跡局部放 大圖。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0032] 一：本實施方式的一種航天器在軌服務觀測空間目標局部范圍的時 間和燃料脈沖最優遍歷方法，具體是按照以下步驟制備的：
[0033] 步驟一、不考慮攝動的情況下，在目標s處于圓軌道上，得到追蹤航天器的相對軌 道運動模型描述成C-W方程；根據C-W方程的得到追蹤航天器相對位置r (t)和相對速度 的狀態轉移方程；
[0034] 步驟二、根據任務要求確定所要觀測的局部范圍中心的方向為觀測中心線方向， 在與觀測中心線垂直的平面內兩個相互垂直的方向上各存在M°的角度的范圍，將M°的 角度的范圍均分為1X1個細分的網