[发明专利]一种混合小推力航天器的轨道保持和扰动抑制方法

说明书

本发明公开了一种混合小推力航天器的轨道保持和扰动抑制方法，该方法包括根据深空探测器广泛采用的圆型限制性三体模型，建立混合小推力航天器在日心悬浮轨道柱坐标系下的动力学模型；将建立的混合小推力航天器的动力学模型转化为仿射标准型；针对仿射标准型设计滑模控制器；计算混合小推力航天器的实际控制输入。本发明不需要额外的控制器对深空扰动进行单独的控制，只需对混合小推力航天器设计滑模变结构控制器，保证了控制系统可以到达滑动模态区，处于此模态的控制系统具有对参数及扰动不敏感的特性。再将求取的控制量按照一定优先条件转化为实际控制输入，为工程实践的具体实施提供参考。该方法有着响应迅速、物理实现简单等优点。

技术领域

本发明属于航天系统技术领域，尤其是涉及一种混合小推力航天器的轨道保持和扰动抑制方法。

背景技术

深空探测对于科技进步和文明发展具有深远意义。然而，传统的深空探测航天器受推进火箭和化学燃料的制约日甚，渐渐无法胜任一些空间任务，为此一种利用太阳光压获得连续推力的航天器——太阳帆航天器得到了各国的普遍关注。为了克服太阳帆不能提供指向日心方向的推进力分量的缺点，将太阳帆技术与研究较为成熟、推进效率较高的太阳电技术结合形成的推进系统应用于航天器，即为混合小推力航天器。

日心悬浮轨道是一种以太阳为中心，航天器推进力与所受引力部分相平衡形成的悬浮在黄道平面上方的圆形非开普勒轨道，这一特殊的空间位置可以为观测日冕物质演化，预报太阳磁暴现象，实现日地中继通信等提供条件。同时，航天器在复杂的深空环境中面临着天体引力、太阳风作用、执行器非线性等各类扰动。因此，需要采用控制的方法使混合小推力航天器能在日心悬浮轨道实现轨道保持，并可以抑制外界扰动。

目前针对此类航天器系统的轨道保持控制已有一些研究成果。McInnes等人为了使混合小推力航天器携带更少燃料，采用最优控制设计了地球同步轨道保持控制器(Displaced geostationary orbits using hybrid low-thrust propulsion.ActaAstronautica,2012)。钱航等人通过对太阳帆动力学方程在标称悬浮轨道附近线性化，用线性二次型调节器进行控制(太阳帆航天器悬浮轨道动力学与控制.空间科学学报，2013)。张楷田等人针对混合推进航天器日心悬浮轨道动力学模型，应用自抗扰技术设计了轨道保持控制器(混合小推力航天器日心悬浮轨道保持控制.航空学报，2015)。上述研究都取得了一些成果，但是也存在一定的局限性。一方面存在建模误差和外界扰动时，会对系统产生影响甚至使系统不稳定。另一方面，在太阳帆姿态角和太阳电加速度的实际分配上未给出具体步骤。

发明内容

发明目的：为克服现有技术的不足，提出了一种应用滑模变结构控制技术对混合小推力航天器实现轨道保持和扰动抑制的方法，该方法有着响应迅速，对建模误差、参数不确定性和扰动不敏感，物理实现简单等优点。

技术方案：本发明提供了一种混合小推力航天器的轨道保持和扰动抑制方法，该方法包括以下步骤：

(1)根据深空探测器广泛采用的圆型限制性三体模型，建立混合小推力航天器在日心悬浮轨道柱坐标系下的动力学模型；

(2)将步骤(1)建立的混合小推力航天器的动力学模型转化为仿射标准型；

(3)针对步骤(2)中的仿射标准型设计滑模控制器，得到滑模控制器的控制量；

(4)根据步骤(3)得到的控制量计算混合小推力航天器的实际控制输入。

进一步的，所述步骤(1)中建立的动力学模型为：