[发明专利]基于失效卫星表面参考点的相对位姿动力学建模方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种建模方法，尤其涉及一种针对非合作失效卫星在轨操作的相对位姿耦合动力学建模方法，属于航天导航建模技术领域。

背景技术

近年来，随着空间目标的接近与捕获技术的不断发展，各国正致力于各项自主接近与在轨捕获项目的研究。由于空间合作目标的接近与捕获技术相对比较成熟，因此，各国将重点逐步转移到非合作目标卫星接近与捕获研究。非合作空间目标就是未预先安装对接辅助装置，甚至自身不能对姿态进行控制，在空间自由翻滚的航天器。由于燃料耗尽、系统故障等问题都可能导致卫星成为一颗失效卫星，一般来说，这些失效卫星大多数都属于非合作目标卫星，因此非合作目标卫星的交会对接与在轨捕获等技术的研究就显得尤为重要。利用小卫星对非合作卫星的在轨操作现已取得了初步进展，例如，美国的XSS-11试验项目和SUMO计划，德国DLR开展的DEOS项目以及欧洲的TECSAS项目。

空间非合作目标卫星的自主接近、悬停与捕获操作需要解决的一项关键技术就是非合作目标卫星的自主接近、悬停与在轨捕获的相对位置和相对姿态动力学建模，即根据所建立的模型，采用相应的控制方法对卫星的相对位姿等信息进行精确控制，以保证卫星交会对接与在轨捕获的安全与可靠。

在目前已研究的相对位置、姿态动力学建模方法中，并未真正考虑到非合作目标卫星本身的特性，所推导的相对位姿动力学模型基本上都是基于两航天器质心间的相对关系而建立的，这样建模只能适用于远距离与近距离巡视，而不能适用于超近距离巡视，超近距离巡视的特殊性反映在姿态和轨道的强耦合性，在超近距离巡视时不能将目标作为点质量模型进行处理，必须把目标作为分布质量模型进行处理。

发明内容

本发明的目的在于：针对非合作失效卫星的特点，提出一种简洁有效的基于失效卫星表面参考点的相对位姿动力学建模方法，以满足失效卫星在轨操作的实现需求。

该建模方法包括如下步骤：

步骤1：利用追踪星上的观测相机对失效卫星进行在轨拍照，通过图像处理，在失效卫星的表面确定一个兴趣区域；

步骤2：建立便于相对位姿动力学模型推导的参考坐标系和兴趣坐标系；

步骤3：根据失效卫星的运动规律，以及追踪星与失效卫星上兴趣区域的关系，建立相对于失效卫星表面的相对位姿动力学模型，该步骤进一步包括：

①根据失效卫星本身的特性，对Hill方程进行改进，建立追踪星与失效卫星表面参考点间的相对位置动力学模型；

②根据姿态动力学方程，建立追踪星与失效卫星表面参考点间的相对姿态动力学模型；

③利用相对位置动力学模型中位置与姿态的耦合性，并结合参考轨迹跟踪法，建立近似耦合相对位姿动力学模型。

技术效果：

1、能够针对非合作失效卫星的特性以及长期失效后的运动模式，合理选择相对位姿动力学建模对象。

2、建模方法简洁有效，适用于非合作目标卫星中的兴趣区域与旋转轴平行、垂直或成任意夹角的情况。

3、在超近距离巡视时，可根据实际情况选择不同的兴趣区域进行交会对接与在轨捕获，以规避太阳帆板等大型部件。

4、通过设计相应的控制方法，可以获得高精度的姿态、速度和位置信息，适合于失效卫星的交会对接与捕获等在轨操作的工程实现。

附图说明

图1为参考坐标系示意图。

图2为兴趣坐标系示意图。

图3为追踪星与失效卫星表面参考点的相对位置三维轨迹图。

图4为追踪星与失效卫星表面参考点的X轴向相对位置曲线图。

图5为追踪星与失效卫星表面参考点的Y、Z轴向相对位置曲线图。

图6为追踪星与失效卫星表面参考点的相对速度曲线图。

图7为追踪星与失效卫星表面参考点的相对姿态曲线图。

图8为追踪星与失效卫星表面参考点的相对角速度曲线图。

图9为作用于追踪星本体上的控制力所产生的速度增量曲线图。

图10为作用于追踪星本体上的控制力所产生的速度总增量曲线图。

具体实施方式

下面对本发明的方法步骤进行详细说明。

步骤1：确定失效卫星表面的兴趣区域。

大部分卫星在控制系统失效后便会在空间自由翻滚，并最终围绕惯量主轴慢慢旋转，其动量矩的方向在空间基本保持惯性稳定。利用追踪星上的观测相机对失效卫星进行在轨拍照，通过图像处理，在失效卫星的表面确定一个兴趣区域。

步骤2：建立便于相对位姿动力学模型推导的坐标系。