基于羽流消旋的自旋章动耦合消旋羽流指向方法及系统

技术领域

本发明属于航天器技术领域，具体涉及一种基于羽流消旋的自旋章动耦合消旋羽流指向方法及系统。

背景技术

人类航天器发射任务次数逐渐增加，由此产生的失效卫星、发射抛弃物等空间垃圾数量也在不断增多。而大量的空间垃圾对正常在轨卫星构成了巨大威胁。其中失效卫星长期处于空间的各种干扰环境中，且基本失去或不具备位置与姿态控制能力，因此失效卫星具有复杂的非合作翻滚运动状态。为减少失效卫星的威胁，执行在轨操作十分必要，对失效卫星消旋是在轨操作的前提与重要组成部分。根据消旋力矩施加方式的不同，现有减速刷消旋、涡流消旋、等离子羽流消旋、气体羽流消旋等消旋方式。其中羽流消旋具有安全性高，燃料消耗少的优点，但是由于羽流产生的消旋力矩的大小与方向与失效卫星的帆板形状与位置有关，面对复杂的自旋章动耦合运动，其对最大惯量轴的自旋消旋效果明显，但对章动角速度的抑制十分困难，从而限制了羽流消旋的使用工况。

LIU等通过参数化撞击模型，使用余弦和指数的特性建立羽流瞄准方法，但是他们通过人为设置参数进行羽流指向方法的优化，其瞄准方法不具备不同的消旋场景适应性。Nakajima等通过调整气体羽流指向，设计了羽流指向控制律，使其产生的消旋力矩时刻与目标角动量保持反向，但该条件在消旋过程中过于严格，实现难度大，极大地降低了消旋消率。Chen等设计了一种适用于减速刷消旋的接触点预测方法，但是其提出的方法局限于执行器的消旋力矩施加方法，在羽流消旋中适应性较差。

目前，所建立的消旋羽流方案只能解决单一的问题，无法根据目标的运动特性、质量特性以及形状特性，建立合适的消旋羽流方式实现目标的自旋章动耦合消旋。

发明内容

针对现有技术中存在的所建立的消旋羽流方案只能解决单一的问题，无法根据目标的运动特性、质量特性以及形状特性，建立合适的消旋羽流方式实现目标的自旋章动耦合消旋。本发明提供一种基于羽流消旋的自旋章动耦合消旋羽流指向方法，能够根据目标的运动特性、质量特性以及形状特性，实现目标的自旋章动耦合消旋。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于羽流消旋的自旋章动耦合消旋羽流指向方法，包括；

采集目标的运动状态中的转动惯量及角速度数据；

统计消旋过程中目标太阳帆板能够收到的自旋-章动消旋力矩参数；

将自旋-章动消旋力矩参数、转动惯量及角速度数据输入进耦合消旋羽流指向模型，获取最优羽流指向点；

将最优羽流指向点输入进羽流消旋动力学模型中进行消旋计算获得消旋终止条件，若目标的运动状态满足消旋终止条件，则消旋任务完成。

作为本发明的进一步改进，所述目标的运动状态是通过服务航天器携带的运动状态传感器对目标的运动状态进行识别。

作为本发明的进一步改进，所述目标的运动状态若满足消旋条件，则采集目标的运动状态中的转动惯量及角速度数据。

作为本发明的进一步改进，所述目标的运动状态若不满足消旋条件，则对目标的运动状态重新进行识别，直至目标的运动状态满足消旋条件为止。

作为本发明的进一步改进，所述目标的运动状态中的角速度数据，需要进行归一化计算。

作为本发明的进一步改进，所述自旋-章动消旋力矩参数是通过消旋过程中目标太阳帆板尺寸及目标相对位置获得。

作为本发明的进一步改进，所述将最优羽流指向点输入进羽流消旋动力学模型中进行消旋计算获得消旋终止条件，若目标的运动状态不满足消旋终止条件，则重新识别目标的运动状态。

一种基于羽流消旋的自旋章动耦合消旋羽流指向系统，包括：

采集模块：用于采集目标的运动状态中的转动惯量及角速度数据；

统计模块：用于统计消旋过程中目标太阳帆板能够收到的自旋-章动消旋力矩参数；

第一输入模块：用于将自旋-章动消旋力矩参数、转动惯量及角速度数据输入进耦合消旋羽流指向模型，获取最优羽流指向点；

第二输入模块：用于将最优羽流指向点输入进羽流消旋动力学模型中进行消旋计算获得消旋终止条件，若目标的运动状态满足消旋终止条件，则消旋任务完成。

一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种基于羽流消旋的自旋章动耦合消旋羽流指向方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述一种基于羽流消旋的自旋章动耦合消旋羽流指向方法的步骤。

与发明相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过收集目标的运动状态及目标能够产生消旋力矩参数，并将角速度参数及转动惯量引入耦合消旋羽流指向模型，实现目标消旋的羽流指向点的多轴运动适应性优化。然后将羽流指向点输入进羽流消旋动力学模型中，判断目标的运动状态是否满足终止条件，若目标的运动状态满足消旋终止条件，则消旋任务完成；若目标的运动状态不满足消旋终止条件，则重新识别目标的运动状态。本发明可以根据不同消旋情况调整计算比例。实现失效航天器的自旋章动耦合消旋，提高自由翻滚卫星的消旋效率，具有良好的适应性，适用于通过空间碎片形状产生消旋力矩的所有方法。本发明能够根据目标的运动特性、质量特性以及形状特性，实现目标的自旋章动耦合消旋，解决消旋制导律不足的情况，且该方法适用于多种使用失效卫星太阳帆板产生阻力矩的消旋方式。

附图说明

图1为本发明一种基于羽流消旋的自旋章动耦合消旋羽流指向方法的流程示意图；

图2为失效航天器与羽流喷口相对位置示意图；

图3为失效航天器自旋章动耦合消旋方法示意图；

图4为角速度变化曲线；

图5为羽流指向点位置；

图6为传统方法角速度变化图；

图7为本发明一种基于羽流消旋的自旋章动耦合消旋羽流指向系统的结构示意图；

图8为本发明电子设备结构示意图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

针对现有技术中存在的所建立的消旋羽流方案只能解决单一的问题，无法根据目标的运动特性、质量特性以及形状特性，建立合适的消旋羽流方式实现目标的自旋章动耦合消旋。发明提供一种基于羽流消旋的自旋章动耦合消旋羽流指向方法，如图1所示，该方法包括：

采集目标的运动状态中的转动惯量及角速度数据；

统计消旋过程中目标太阳帆板能够收到的自旋-章动消旋力矩参数；

将自旋-章动消旋力矩参数、转动惯量及角速度数据输入进耦合消旋羽流指向模型，获取最优羽流指向点；

将最优羽流指向点输入进羽流消旋动力学模型中进行消旋计算获得消旋终止条件，若目标的运动状态满足消旋终止条件，则消旋任务完成。

以下结合附图对本发明具体进行详细说明：

设计失效卫星自悬章动耦合非接触式消旋的羽流指向方法如下所示：

其中，I

α与β为归一化参数，目标的章动角速度常小于自旋角速度，因此在消旋制导律设计中将归一化角速度作为自旋与章动的消旋的权重，平衡角速度消旋速度。其中k为自旋-章动协同消旋参数，为不同相对位置情况下的最小的自旋-章动力矩比值中的最大值。

羽流喷口与失效卫星帆板相对位置如图2所示。

如图3所示，基于上述自旋章动耦合消旋羽流指向方法，通过设定的失效航天器与羽流喷口相对设计自旋章动耦合消旋方法如下图所示。羽流消旋的自旋章动耦合消旋羽流指向方法由三部分组成，第一部分为自旋-章动耦合消旋参数地面计算，第二部分为目标运动状态的在轨辨别与计算，第三部分为通过上述两部分结果最终计算得到羽流最优指向点。

第一部分为地面计算部分，根据不同目标自身的太阳帆板形状与尺寸，在不同相对位置情况下计算指向点变化时自旋-章动消旋力矩的最小比值，统计不同相对位置的力矩比值将其中最大值作为自旋-章动耦合消旋参数即在整个消旋过程中帆板能够接收到的自旋消旋与章动消旋力矩的最大比值。

第二部分为在轨计算部分，通过服务航天器携带的运动状态传感器识别目标的运动状态，判断其是否满足消旋设置条件，如其满足条件则记录目标的转动惯量及角速度数据。将三轴角速度进行归一化计算后储存。

第三部分，使用上述两部分得到的自旋-章动耦合消旋参数、目标的转动惯量以及归一化角速度代入公式(1)进行计算得到最优羽流指向点。将指向点带入羽流消旋动力学系统进行消旋动力学求解。消旋计算后判断目标的运动状态是否满足消旋终止条件，如不满足终止条件则重复上述消旋流程，如满足终止条件则结束消旋。

以下结合具体的实施例对本发明作进一步说明：

如图3所示，取目标航天器转动惯量为J＝[350 0 0；0 410 0；0 0 550]kg×m

如图4所示，在帆板宽度方向，随着自旋角速度与章动角速度的衰减羽流指向点从帆板宽度±1.5m处向帆板中线靠，逐渐增大自旋消旋力矩的占比。而随着自旋角速度变化，羽流喷口与帆板相对位置发生改变，因此指向点在帆板长度方向5.5-7m内波动，在不同相对位置时寻找最优的羽流指向点。

如图5所示，在相同条件下使用先消章动后消自旋的消旋方法需要5882s完成消旋，而本方法仅需5602s，提高了自旋与章动耦合的消旋效率。当在羽流消旋中使用传统消旋方法时，自旋角速度的衰减速度会大于章动角速度的衰减速度，章动角速度衰减不明显，在自旋角速度减小的过程中会产生章动不受控的情况导致复杂运动状态的消旋失败如图6所示，而本方法则可以根据不同的自旋与章动角速度与消旋力矩接收能力选择最优的指向点，避免消旋失败。

本发明通过目标运动状态，质量状态以及目标能够产生消旋力矩的能力提出失效航天器自旋章动耦合消旋羽流指向方法。其中通过公式(1)中α与β内的归一化角速度参数引入目标的运动状态，通过转动惯量I

如图7所示，本发明的第二个目的在于提出一种基于羽流消旋的自旋章动耦合消旋羽流指向系统，包括：

采集模块：用于采集目标的运动状态中的转动惯量及角速度数据；

统计模块：用于统计消旋过程中目标太阳帆板能够收到的自旋-章动消旋力矩参数；

第一输入模块：用于将自旋-章动消旋力矩参数、转动惯量及角速度数据输入进耦合消旋羽流指向模型，获取最优羽流指向点；

第二输入模块：用于将最优羽流指向点输入进羽流消旋动力学模型中进行消旋计算获得消旋终止条件，若目标的运动状态满足消旋终止条件，则消旋任务完成。

如图8所示，本发明第三个目的是提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种基于羽流消旋的自旋章动耦合消旋羽流指向方法的步骤。

所述一种基于羽流消旋的自旋章动耦合消旋羽流指向方法包括以下步骤：

采集目标的运动状态中的转动惯量及角速度数据；

统计消旋过程中目标太阳帆板能够收到的自旋-章动消旋力矩参数；

将自旋-章动消旋力矩参数、转动惯量及角速度数据输入进耦合消旋羽流指向模型，获取最优羽流指向点；

将最优羽流指向点输入进羽流消旋动力学模型中进行消旋计算获得消旋终止条件，若目标的运动状态满足消旋终止条件，则消旋任务完成。

本发明第四个目的是提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述一种基于羽流消旋的自旋章动耦合消旋羽流指向方法的步骤。

采集目标的运动状态中的转动惯量及角速度数据；

统计消旋过程中目标太阳帆板能够收到的自旋-章动消旋力矩参数；

将自旋-章动消旋力矩参数、转动惯量及角速度数据输入进耦合消旋羽流指向模型，获取最优羽流指向点；

将最优羽流指向点输入进羽流消旋动力学模型中进行消旋计算获得消旋终止条件，若目标的运动状态满足消旋终止条件，则消旋任务完成。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。