[发明专利]基于等碰撞概率面法的航天器安全接近控制方法

说明书

针对航天器近距离操作中的安全接近控制技术中的问题，本发明提供了基于等碰撞概率面的航天器安全接近控制方法，包括以下步骤：首先建立目标航天器的轨道坐标系；在目标航天器的轨道坐标系中，构建跟踪航天器的非线性相对运动方程；采用无迹变化方法来推导跟踪航天器的非线性相对运动方程的不确定性传播；计算目标航天器和跟踪航天器之间的碰撞概率密度；计算目标航天器和跟踪航天器两个卫星之间的碰撞概率梯度也即碰撞概率梯度；最后确定最终作用在跟踪航天器上的控制力。本发明有效地解决了目前安全接近控制方法中存在的计算量大、实时性不好以及未能考虑不确定性影响等问题。

技术领域

本发明涉及航天器近距离安全接近控制技术领域，具体涉及一种基于等碰撞概率面的航天器安全接近控制方法。

背景技术

近年来随着在轨航天器失效案例日益增多，在轨服务受到了更多的关注。航天器在轨服务对提高航天器操作能力，增强航天器适应性和可伸缩性，延长航天器寿命，节省航天器研制费用等有积极作用。

近距离操作是在轨服务的重要关键技术，涉及到近距离操作的空间任务几乎都需要进行航天器相对控制，当服务航天器靠近目标时，需要保证航天器不与目标发生碰撞，因此航天器安全接近控制是近距离操作技术的关键技术之一。

目前，在实现航天器安全接近的方法中，人工势函数制导方法(ArtificialPotential Function,APF)由于具有在复杂环境下形式简单、计算量小等特点，但近年来在空间近距离操作中得到了广泛关注。

人工势函数制导方法最初源自机器人路径规划问题，Ismael Lopez和ColinR.McInnes首次将人工势函数制导方法应用到航天器自主避障的路径控制上来，在其文献中根据航天器相对运动C-W方程，将人工势函数制导方法分别应用于多个障碍物的交会和终端带约束的交会两个场景中。Hyung-Chul Lim等将人工势函数与滑模控制相结合，设计了针对卫星编队飞行的控制器。Ender St.John-Olcayto和Colin R.McInnes等人研究了在国际空间站的交会和近距离作业中，采用势函数制导的安全自主近距离机动，实现了V/R-bar方向的安全自主交会对接。Shawn B.McCamish和Marcello Romano等人针对圆轨道上多个航天器近距离交会问题提出了一种基于Linear Quadratic Regulator(LQR)和人工势函数方法相结合的制导算法，并利用SPHERES进行地面试验，验证了所设计算法的可行性。Lenel Palacios和Matteo Ceriotti等利用LQR和人工势函数方法设计了一种适用于圆轨道和椭圆轨道的制导追踪算法，并利用并利用SAFE(Spaceborne Autonomous FormationFlying Experiment)进行了验证。Josue D.Munoz和Norman G.Fitz-Coy提出了一种自适应的人工势函数制导方法，针对静态障碍物，研究了航天器近距离操作中的轨道和姿态运动快速规划，比传统人工势函数制导方法更加节省燃料。高鹏和罗建军在Josue D.Munoz和Norman G.Fitz-Coy工作的基础上，针对航天器近距离操作中的动态障碍物规避问题，研究了一种燃料较省、精度较高的规避动态障碍物的自适应人工势函数制导方法。张大伟针对非合作航天器，提出了将人工势函数与模糊控制相结合的制导方法，能够实现对动态障碍物的规避。针对APF局部极小点问题，可寻找更好的势场函数，使势场中出现极小值的概率减小；或将人工势场法和其他方法相融合，如采用沿墙跟踪方法及极限环法。鲁新军等提出了虚拟水流法，但效率不高。基于遗传算法的改进APF法实现最优路径搜索，收敛速度有待提高。为了解决实际应用中控制对象在全动态环境中的路径规划问题，殷路等提出了全动态环境中改进的势能函数构造方法，使研究对象时刻趋向与目标相同、与障碍物相悖的运动趋势。