一种面向空间站健康巡视的微纳卫星回收控制方法

技术领域

本发明属于航天领域技术领域，涉及一种面向空间站健康巡视的微纳卫星回收控制方法。

背景技术

随着人类航天活动的频繁进行，太空中的空间碎片越来越多，从而对空间站等在轨高价值空间平台造成了碰撞威胁。然而目前在面对空间碎片的撞击威胁时，由于地面测控设备无法发现这些微小碎片，因此目前可采用的措施都依赖于航天员舱外活动、空间站上的成像设备等，然而这些措施却存在诸如：舱外活动空间和时间受限、成像设备观察死角过多等问题。为了克服上述问题，可利用环绕空间平台的微纳卫星编队实现对于空间站健康状态监测。

为了实现利用微纳卫星编队对空间站的常态化健康监测需要若干关键技术。由于微纳卫星体积小、携带燃料少，若要实现微纳卫星编队的常态化运行则必须要及时对编队中的微纳卫星进行回收并进行燃料补充和简单维修(如图12所示)，但是如何对微纳卫星进行对应的操作，缺少相应的研究和方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种面向空间站健康巡视的微纳卫星回收控制方法，以解决现有技术中缺少对于微纳卫星编队健康巡视任务常态化运行过程中需要回收进行燃料补充和维修的方案。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种面向空间站健康巡视的微纳卫星回收控制方法，包括以下步骤：

步骤1，获取每颗微纳卫星的轨道等待段时间，选取轨道等待段时间最小的微纳卫星回收；

步骤2，获取未回收微纳卫星与已回收微纳卫星任务总时间的差值，若所述差值为正值，则执行步骤3，否则对微纳卫星的轨道等待段时间进行变换后重复执行步骤2，直至差值为正值；

步骤3，取步骤2中差值为正，且差值最小对应的微纳卫星回收；

步骤4，重复步骤2和步骤3，直至所有的微纳卫星完成回收。

本发明的进一步改进在于：

优选的，步骤1和步骤3中，单颗微纳卫星的回收方法包括以下步骤：

S1，获取单颗微纳卫星的飞行参数，分解微纳卫星相对运动周期为N份；

S2，基于飞行参数，通过求解双脉冲最优能量转移问题获得近程交会段的轨道规划结果；

S3，通过近程交会段的轨道规划结果获得平移靠拢段的轨道规划结果。

优选的，S1中，所述单颗微纳卫星的飞行参数包括输入空间平台轨道高度、禁飞球参数、微纳卫星最大脉冲速度、近程交会段的最大转移时间以及微纳卫星接收到回收指令的时刻。

优选的，S2的具体过程为：

S2.1，求解任意时刻t微纳卫星相对位置对应的双脉冲最优能量转移问题，获得起始位置的脉冲速度矢量和目标位置的脉冲速度矢量；

S2.2，将起始位置的脉冲速度矢量和目标位置的脉冲速度矢量通过CW方程递推获得微纳卫星的相对轨道，判断相对轨道是否在禁飞球中；若相对轨道在禁飞球中执行S2.3，否则执行S2.4；

S2.3，令t＝t+Δt，Δt通过将微纳卫星相对运动周期为N份获得；

S2.4，计算并储存当前时刻的性能指标；

S2.5，重复S2.1～S2.4，其中最小性能指标对应的时刻与初始时刻之间的时间差值即为轨道等待段的等待时间，根据S2.4中最小性能指标所对应双脉冲最优能量转移问题的解，通过CW方程递推获得近程交会段的轨道规划结果。

优选的，所述双脉冲最优能量的计算公式为：

式中，Δv

所述性能指标的计算公式为：

L＝α

式中α

优选的，S3的具体过程为：

S3.1，设定近程交会段末端状态为平移靠拢段的初始状态；

S3.2，选定权值矩阵，求解代数黎卡提方程，得到平移靠拢段的最优状态反馈控制律，进而获得平移靠拢段的轨道规划结果。

优选的，步骤2中，未回收微纳卫星与已回收微纳卫星任务总时间的差值计算公式为：

其中，n表示已回收的微纳卫星总数，

优选的，步骤2和步骤3中，变换的公式为：

其中，T为微纳卫星的相对运动周期，m为使得Δt

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种空间站健康监测的微纳卫星回收控制方法，该方法通过设计使得多颗微纳卫星能够按照顺序回收，其主要步骤为：1.根据单颗微纳卫星回收控制方法计算每颗卫星各自的轨道等待时间、近程交会时间及平移靠拢时间。2.选取轨道等待时间最小的卫星首先进行回收。3.计算所有未回收卫星的轨道等待段时间与所有已回收微纳卫星任务总时间的差值，并将所有差值为负卫星的轨道等待时间增加整数个周期直至该差值为负。4.选取差值最小的卫星进行回收，并重复上一步骤，直至所有卫星完成回收。该方法补充了现有领域针对空间站附近微纳卫星回收任务的控制方法设计，且方法贴近工程，可为后续微纳卫星对空间站执行健康检测任务提供技术支撑。

进一步的，本发明将设计了单颗微纳卫星的回收流程，将微纳卫星的回收过程分为：1.轨道等待段，如图7所示为避免与空间站发生碰撞，当微纳卫星接收到回收指令后可在当前轨道上自然运行至可行机动点后再进行机动。2.近程交会段，采用脉冲控制方式完成由可行机动点至锥形走廊起点的转移。3.平移靠垄段，如图8所示采用连续控制方式完成由锥形走廊起点至回收目标点的受迫实现运动。

进一步的，本发明设计了单颗微纳卫星的回收控制方法，其主要步骤为：1.计算微纳卫星一个周期上的机动可行点。2.计算每个机动可行点的性能指标并根据性能指标选取合适的机动可行点作为轨道等待段终点。3.根据所选机动可行点计算近程交会段轨道规划结果及终点位置(平移靠垄段起点)。4.利用LQR方法求解平移靠垄段控制律及轨道规划结果。

本发明通过引入“禁飞球”的概念设计了一种空间站健康监测的微纳卫星回收控制方法。首先基于“禁飞球”的概念设计了单颗微纳卫星的回收流程，将单颗微纳卫星的回收过程划分为了轨道等待段、近程交会段以及平移靠拢段；其次在所设计回收流程的基础上基于二脉冲最优能量转移问题与LQR控制设计了单颗微纳卫星的回收控制方法；最后考虑到多颗微纳卫星同时进行回收的情况，设计了一种多颗微纳卫星的回收顺序计算方法。该方法补充了现有领域针对空间站健康监测这一任务背景下微纳卫星的回收控制方法，同时该算法具有一定的工程实际应用性，可以为后续相关的工程任务提供参考与技术支撑。

附图说明

图1是本发明的面向空间站健康监测的微纳卫星回收控制方法设计流程图；

图2是本发明的单颗微纳卫星回收流程图；

图3是本发明的单颗微纳卫星回收控制方法设计流程图；

图4是本发明的多颗微纳卫星回收顺序设计流程图；

图5是本发明的“禁飞球”和“回收走廊”示意图；

图6是本发明的“禁飞区”和“回收走廊”形状参数示意图；

图7是本发明的轨道等待段和近程交会段示意图；

(a)图为近程交会段；(b)图为轨道等待段；

图8是本发明的平移靠拢段示意图；

图9是本发明的具体实施方式的单颗微纳卫星回收控制方法中微纳微纳卫星3的平移靠拢段状态量变化情况；

图10是本发明的具体实施方式的单颗微纳卫星回收控制方法中微纳微纳卫星3的平移靠拢段控制量变化情况；

图11是本发明的具体实施方式中三颗微纳卫星同时进行回收时的轨道规划结果。(a)时间为500s；(b)时间为3000s；(c)时间为3800s；(d)图为9100s。

图12是本发明的面向空间站健康监测的微纳卫星回收场景示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细描述：

本发明提供了一种针对空间站附近执行健康检测的微纳卫星进行回收的控制方法，参见图1，该方法包含3个部分：一是基于“禁飞球”概念的单颗微纳卫星回收流程设计；二是针对单颗微纳卫星回收的控制方法设计，基于所设计的回收流程实现了单颗微纳卫星在考虑与空间站碰撞约束下的回收控制方法设计；三是针对多颗微纳卫星进行回收时的回收顺序设计，为保证多颗微纳卫星在回收过程中不会发生相互碰撞，基于单颗微纳卫星的回收控制方法实现了多颗微纳卫星的逐次回收。

在介绍具体内容之前，需要针对“禁飞球”的概念进行介绍。“禁飞球”是一个广义概念，具体而言其包含两个部分，分别是“禁飞球”本身以及“回收走廊”。如图5和图6所示“禁飞球”是指以空间站两舱段的交点为球心，适当距离为半径的球形区域，并不允许微纳卫星在该球形区域内运动，其目的是为了防止微纳卫星在空间站附近做大范围转移时与空间平台发生碰撞；“回收走廊”是指以回收目标点为顶点的锥形区域，其目的是当微纳卫星接近回收目标点时需确保微纳卫星的运动始终位于该锥形区域内，从而确保最终的回收精度。

本发明的实施例之一为公开了一种面向空间站健康监测的微纳卫星回收流程的设计方法，该设计方法包括以下步骤：

S1，针对面向空间站健康巡视的单颗微纳卫星，设计一种通用的回收流程；

S2，针对面向空间站健康巡视的单颗微纳卫星，基于S1的回收流程，设计一种具体回收控制方法；

S3，针对面向空间站健康巡视的多颗微纳卫星，基于S2的单颗微纳卫星回收控制方法，设计一种多颗微纳卫星回收的回收顺序确定方法。

本发明的实施例之一为公开了一种单颗微纳卫星的回收方法：

在建立“禁飞球”概念的基础上，借鉴航天器在执行交会对接任务时为保证对接精度以及交会过程中的安全将交会对接过程划分为远距离导引段、近距离导引段以及平移靠拢段三个阶段的思想，将微纳卫星的回收过程划分为轨道等待段、近程交会段以及平移靠拢段。参见图2，基于上述三个阶段单颗微纳卫星的具体回收流程如下：

S1.1，轨道等待段，是指由微纳卫星接收到回收指令至进行第一次机动这一过程。当微纳卫星接收到回收指令后，若微纳卫星直接进行机动则会有与空间平台发生碰撞风险。为避免与空间站发生碰撞，微纳卫星可在当前轨道上继续自然运行，当其运动到可行机动点的机动位置后再进行机动。

S1.2，近程交会段，是指由微纳卫星进行第一次机动位置至“回收走廊”起点这一过程。在轨道等待段后，通过脉冲控制方式使微纳卫星转移至平移靠拢段的起点，即锥形走廊的尾部中心处。

S1.3，平移靠拢段，是指由“回收走廊”起点至最终回收位置这一过程。该段采用连续小推力控制，使微纳卫星做受迫直线运动，最终到达回收点。设计该阶段的目的有三个：一是为了在最后接近回收点前对微纳卫星的自身状态是否进行确认；二是由于近程交会段采用的脉冲控制具有一定的误差，需要通过平移靠拢段确保最终的回收精度；三是为了作为“缓冲段”，以降低微纳卫星机动后相对空间站的较大速度。

本发明的实施例之一为公开了一种单颗微纳卫星回收控制方法，参见图3，该方法包括以下步骤：

S2.1，输入空间平台轨道高度h、禁飞球参数(半径R、回收走廊开度α、回收走廊长度l)、微纳卫星最大脉冲速度Δv

S2.2，将微纳卫星的相对运动周期T等分为N段，形成N段间隔为Δt的时间序列；

S2.3，通过式(1)求解时刻t(初始t＝t

式中，Δv

其中，Δt＝t

S2.4，将S2.3得到的两次脉冲对应的脉冲速度矢量利用CW方程进行相对轨道的递推，所述相对轨道为微纳卫星相对空间站运行的轨道，将初始状态和起点脉冲速度带入CW方程解析解中，便可得到该微纳微卫星递推轨道上的所有位置和速度。并判断递推轨道是否进入“禁飞球”，若递推轨道进入“禁飞球”则进入S2.5，否则进入S2.6；

S2.5，令t＝t+Δt，并返回S2.3；指对轨道上的N等分时刻点依次进行计算，检验哪些点在机动时递推轨道不会进入禁飞球；

S2.6，定义性能指标L＝α

S2.7，重复S2.3至S2.6，当满足t-t

S2.8，根据S2.7所求得的近程交会段末端状态，将其作为平移靠拢段的初始状态；

S2.9，给出权值矩阵Q和R(分别用于衡量控制效果和能量消耗)，求解相应的代数黎卡提方程，得到微纳卫星平移靠拢段的LQR最优状态反馈控制律，根据控制律可进一步得到平移靠拢段的轨道规划结果。

本发明的实施例之一为在单颗微纳卫星回收控制方法的基础上给出当多个微纳卫星同时进行回收时回收顺序，参见图4，具体的回收方法，包括以下步骤：

S3.1，根据单颗微纳卫星的回收控制方法，计算每颗微纳卫星的轨道等待段时间

S3.2，选取

S3.3，计算未回收微纳卫星的

S3.4，若Δt

S3.5，取Δt

S3.6，重复S3.3～S3.5，直至所有微纳卫星完成回收，并统计所有微纳卫星的

实施例

假设空间站运行在轨道高度为400km的圆形轨道上，现有一由3颗微纳卫星与空间平台所组成的绕飞编队(其各自的相对绕飞轨道参数详见表1)正在进行健康监测任务，在较长时间的任务过程中3颗微纳卫星的燃料均将要耗尽，因此需要将这3颗微纳卫星回收到空间平台上的指定回收位置(表1)，以便进行燃料补充从而执行后续的任务。

表1微纳卫星回收起始位置与目标位置

需要说明的是，对于该发明中的内容一(单颗微纳卫星的回收流程设计)由于不论实际情况如何微纳卫星的回收流程都不会发生改变，此外内容二(单颗微纳卫星的回收控制方法设计)中也包含了内容一的内容，因此在具体实施方式中不在单独针对内容已进行叙述。

1.单颗微纳卫星回收控制方法设计

为了避免论述赘余，这里仅给出微纳卫星3的具体回收控制方法设计。

S2.1，输入相关参数，详见表2：

表2回收控制参数

S2.2，将微纳卫星的相对运动周期T＝5490s等分为62份，形成62段间隔为90s的时间序列；

S2.3，求解时刻t(初始t＝t

S2.4，将S2.3得到的脉冲结果利用CW方程进行相对轨道的递推，并判断递推轨道是否进入“禁飞球”，若递推轨道进入“禁飞球”则进入S2.5，否则进入S2.6；

S2.5，令t＝t+Δt，并返回S2.3；

S2.6，定义性能指标L＝0.7·(|Δv

表3机动可行点时刻及其相应的性能指标

S2.7，t＝450s时所对应的性能指标L最小，因此t＝450s为轨道等待段的结束时间(近程交会段开始时间)，由此也可得到近程交会段起点的状态为[4.0917,-28.8623,-4.0917,-0.014,-0.0041,-0.0021]

S2.8，根据S2.7所求得近程交会段的末端状态为[0,-12,0,0,0,0]

S2.9，选定权值矩阵Q＝I

3.多颗微纳卫星回收顺序设计

S3.1，根据单颗微纳卫星的回收控制方法，计算可得每颗微纳卫星的轨道等待段时间

表4单颗微纳卫星回收各阶段所用时间

S3.2，选取

S3.3，计算未回收微纳卫星1和2与所有已回收微纳卫星3任务总时间的差值，即Δt

S3.4，因为Δt

S3.5，取Δt

S3.6，重复S3.3～S3.5，得到未回收的微纳卫星1与已回收微纳卫星3和微纳卫星2任务总时间的差值为Δt

表5多颗微纳卫星同时回收各卫星轨道等待时间

同时所有微纳卫星的近程交会段脉冲控制情况为：

表6

最终三颗微纳卫星同时进行回收过程的轨道规划结果如图11所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。