[发明专利]一种多约束条件下椭圆轨道卫星编队构形初始化方法

说明书

本发明公开的一种多约束条件下椭圆轨道卫星编队构形初始化方法，涉及一种卫星编队构形初始化方法，属于航天器制导与控制领域。本发明的实现方法为：通过经典轨道动力学和坐标变换，推导得出真近点角域T‑H方程解析解，并分析动力学约束，周期性绕飞约束，建立监测相机视场约束和推力幅值约束，从而建立编队的多约束最优控制模型并通过高斯伪谱法求解，得到任意时刻的协态值，实现对航天器结构完整性的实时监视，且通过增加偏心率和初始化时间降低推进系统的燃料消耗和最大幅值。本发明能够在多约束条件下实现椭圆轨道卫星编队构形初始化，通过卫星编队构形初始化实现在多约束条件下的有效最优控制。

技术领域

本发明涉及一种卫星编队构形初始化方法，尤其涉及一种在多约束条件下建立椭圆轨道卫星编队的最优初始化方法，属于航天器制导与控制领域。

背景技术

近年来，卫星编队技术因其未来广阔的应用领域而备受关注。基于小卫星的卫星集群编队飞行技术以其强大的技术优势和广阔的应用前景，得到了军事、工业、商业以及科研等领域相关机构的普遍关注和认可。双星编队是最基本的卫星编队形式，编队由主星和从星组成，从星环绕主星执行在轨监测任务，例如可以检测主星的外形结构、太阳帆板是否正常，从而降低成本并减少航天员在舱外活动的风险性。同时，绕飞监测也是实现对目标航天器进行燃料加注、在轨维修、物资补给、空间交会等在轨服务的重要助益和关键技术。因此，有关卫星编队的绕飞构形设计以及构形初始化控制的研究有着十分重要的意义。

卫星编队的构形和控制是以相对动力学为基础，圆轨道相对运动模型由C-W方程给出。当目标航天器运行的轨道为椭圆形轨道时，由于轨道偏心率的存在，C-W方程会引入明显的误差，此时采用T-H方程来描述其线性相对运动。然而，由于在时域内T-H方程具有显著的非线性特征，相对运动的求解十分困难，为此本发明通过真近点角域变换来线性化T-H模型，并推导出解析解。

编队卫星释放过程中的控制一般采用有限幅值的推力器，且为了保证释放过程中的安全性，一般需要采用可见光相机进行监测，因此在编队初始化时，必须考虑上述工程约束条件。轨迹优化问题的求解，从本质上可分为间接法、直接法以及混合法。间接法在理论上严格满足最优性一阶必要条件，但在实际计算过程中，由于对协状态初始猜测的高度敏感性，收敛半径很小，求解比较困难，因此应用受到了一定的限制。直接法相比间接法，可以有效避免协状态的求解，且可以通过适当选取离散节点的规模，有效减少计算量。

发明内容

本发明公开的一种多约束条件下椭圆轨道卫星编队构形初始化方法要解决的技术问题是：在多约束条件下实现椭圆轨道卫星编队构形初始化，通过卫星编队构形初始化实现在多约束条件下的有效最优控制。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

本发明公开的一种多约束条件下椭圆轨道卫星编队构形初始化方法，包括如下步骤：

步骤一：通过经典轨道动力学和坐标变换，推导得出真近点角域T-H方程解析解。

步骤1.1：分别建立惯性坐标系和轨道坐标系；

建立以地球为中心的固定惯性坐标系，其X轴指向春分点，Z轴与地球的旋转轴方向一致，Y轴根据右手定则确定。建立以主星为质心相对于原点旋转的轨道坐标系，其x轴从地球中心指向主星的中心，z轴垂直于轨道平面，y轴根据右手定则确定。

步骤1.2：根据经典轨道动力学得出解析解；

定义主星与从星的相对位置矢量ρ＝r_d-r_c，其中r_d∈R³和r_c∈R³分别是从星和主星的位置矢量。主星和从星之间的相对动力学在惯性参考系中表示为：