[发明专利]一种基于干扰观测器的地月系统混合帆周期轨道保持方法

说明书

一种基于干扰观测器的地月系统混合帆周期轨道保持方法，包括步骤：1)在地月系统会合坐标系下，建立地月系统混合帆轨道相对运动动力学方程；2)在地月系统CRTBP模型中，针对月球轨道偏心率及太阳引力扰动建立干扰力模型；3)确定线性周期状态反馈率，设计周期最优的轨道保持器；4)设计非线性干扰观测器，使非线性干扰观测器的误差指数收敛到有限半径的闭球内；5)根据混合帆质量的变化规律，采用粒子群优化算法对电推进加速度进行优化。本发明周期最优的轨道保持器具有结构简单、鲁棒性强的优点，非线性干扰观测器能够提高轨道保持精度，本发明减少了电推进系统的燃料消耗，延长了系统的工作寿命。

技术领域

本发明属于飞行器控制领域，具体涉及一种基于干扰观测器的地月系统混合帆周期轨道保持方法，旨在充分利用太阳帆的轨道保持能力，优化电推进系统推力，节省燃料。

背景技术

与传统的航天器相比，太阳帆利用太阳光压，无需燃料就能获得连续小推力且具有载荷比高的优点，因此在地月空间任务中的应用潜力巨大。但是由于地月空间环境摄动和平动点轨道的不稳定性，太阳帆需要进行轨道的主动控制，以实现对任务轨道的高精度保持。

以往关于太阳帆在地月系统的理论研究主要集中在平动点附近的悬浮轨道设计和控制以及周期轨道设计上，并且悬浮轨道控制中主要考虑的摄动因素为悬浮轨道设计时非线性动力学方程线性化引起的模型误差，未考虑到地月系统偏心率误差和太阳引动误差。

传统太阳帆轨道的主动控制量仅为姿态角，可控性较差。因此，太阳帆往往需要配置电推进系统组成混合帆实现复杂空间任务。在混合帆执行任务的过程中，需要设计控制策略以尽可能降低燃料消耗，增长混合帆的工作寿命。目前尚无可靠的解决方案。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种基于干扰观测器的地月系统混合帆周期轨道保持方法，减少电推进系统的燃料消耗，延长系统的工作寿命。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括步骤：

1)在地月系统会合坐标系下，建立地月系统混合帆轨道相对运动动力学方程；

2)基于地月系统圆型限制性三体模型(CRTBP)，针对月球轨道偏心率及太阳引力扰动建立干扰力模型；

3)确定线性周期状态反馈率，设计周期最优的轨道保持器；

4)设计非线性干扰观测器，使非线性干扰观测器的误差指数收敛到有限半径的闭球内；

5)根据混合帆质量的变化规律，采用粒子群优化算法对电推进加速度进行优化。

所述的步骤1)建立地月系统混合帆轨道相对运动动力学方程的具体过程如下：

式中，a＝[a_x a_y a_z]^T，a为混合帆的无量纲加速度；U为等效势函数，且：

式中，μ为地月系统质量参数；

令r_ref＝[x_ref y_ref z_ref]^T表示混合帆参考轨迹，δr＝[δx δy δz]^T表示受控轨迹r_c与参考轨迹r_ref之间的相对位置矢量，且r_c＝r_ref+δr；太阳帆的无量纲非线性相对运动动力学方程为：

式中：