[发明专利]一种小天体定点悬停常推力控制方法

说明书

本发明公开的一种小天体定点悬停常推力控制方法，属于深空探测技术领域。本发明通过建立小天体定点悬停动力学方程，得到探测器悬停点附近的非线性引力加速度，结合悬停精度要求设置控制死区边界，将小天体定点悬停过程划分为探测器在小天体固连系各轴上的初始状态到达阶段、引力漂移阶段和常推力控制阶段，根据小天体固连系各轴上非线性引力加速度分量的正负确定引力漂移阶段和常推力控制阶段在对应各轴运动状态相轨迹上的大致位置，以设置的控制死区边界作为引力漂移阶段和常推力控制阶段相轨迹的约束条件求切换边界位置，从而实现探测器在控制死区内稳定、省燃料的常推力悬停。本发明能够避免常推力发动机频繁点火，延长常推力发动机工作寿命。

技术领域

本发明涉及一种小天体定点悬停常推力控制方法，属于深空探测技术领域。

背景技术

深空探测任务中，小天体探测是极其重要的组成部分。针对小天体的深空探测器采用的探测方式可分为飞越、绕飞、伴飞、悬停、着陆、取样返回等。其中，探测器本体系定点悬停指探测器在小行星本体系中的位置保持不变，一直处于小行星表面某一特定位置的上空。该技术是采样任务及未来载人登陆小行星等任务的基础，在小行星附近复杂的力学环境中，一般需要主动控制来实现。

因为小天体本体系内的定点悬停对于小天体探测的重要意义，科学家们进行了不少工作。在先技术[1]中(参见Sawai S,Scheeres D J,Broschart S B.Control ofhovering spacecraft using altimetry[J].Journal of Guidance,Control,andDynamics,2002,25(4):786—795.)，针对均匀自旋的小天体，Sawai分析了稳定悬停轨道的闭环控制策略,给出了一种基于小天体表面高度信息的稳定悬停控制方法。利用该方法进行了均匀自旋球形和椭球形小天体，以及Castalia小行星附近悬停控制的研究，但并没有考虑燃料消耗，且高度测量模型的精度还有待提高。

在先技术[2]中(Daero Lee,Amit K.Sanyala,Eric A.Butcherb,et al.Almostglobal asymptotic tracking control for spacecraft body-fixed hovering over anasteroid[J].Aerospace Science and Technology,2014,38:105–115.)，Daero Lee等人基于李群的思想，将探测器看作刚体，对其旋转和平移的耦合运动进行分析，提出了一种小天体固连系下探测器悬停连续推力控制方法。该方法考虑了姿态和轨道的耦合控制，但由于连续推力发动机存在工程困难难以实现。

在先技术[3]中(龚胜平,李俊峰,宝音贺西.小天体伴飞的常推力控制.中国科学:物理学力学天文学,2011,41:1224–1229.)，龚胜平等讨论了小天体的定点伴飞轨道控制，研究利用阈值控制的方法常推力实现探测器相对小天体位置的保持。该方法采用位置阈值控制，在保证精度的前提下节省了燃耗，但其仅对位置进行限制，速度不受限制，影响悬停控制的长期的稳定性和探测器悬停观测效果。

现有小天体探测定点悬停控制方法中，连续推力方法由于连续推力发动机的工程困难而很难实现，常推力方法为了保证悬停精度需要常推力发动机频繁点火影响发动机工作寿命同时消耗过多的燃料，而采用阈值控制的常推力方法没有对悬停速度进行很好的限制影响悬停效果。

发明内容

针对现有小天体探测定点悬停控制方法中，连续推力方法发动机的设计存在工程困难，造价昂贵，常推力方法存在为了保证悬停精度需要消耗过多的燃料以及常推力发动机频繁点火等问题，本发明公开的一种小天体定点悬停常推力控制方法要解决的技术问题是：提供一种基于死区控制理论的省燃耗、发动机低开关频率的常推力悬停控制方法，能够避免常推力发动机频繁点火，延长常推力发动机工作寿命。