[发明专利]一种小天体定点悬停常推力控制方法

摘要

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。

主权项

一种小天体定点悬停常推力控制方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一、建立悬停动力学模型，得到悬停点附近探测器受到的非线性引力加速度h，结合探测器悬停控制精度要求设置控制死区，得到悬停控制死区的边界；步骤二、根据探测器受到的非线性引力加速度h的分量hi(i＝x,y,z)的正负完成小天体本体坐标系各轴方向运动状态相轨迹上引力漂移阶段和常推力控制阶段的划分；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；初始状态到达阶段是保证系统在该轴状态到达周期变化始端，并进入引力漂移阶段的过程；引力漂移阶段和常推力控制阶段随时间周期交替循环变化，由切换边界xT分开；在切换边界xT以内是引力漂移阶段，探测器只受到由小天体引力加速度和小天体自旋产生的加速度等组成的非线性引力加速度h作用，相轨迹呈抛物线运动直至到达切换边界xT；切换边界xT之外是常推力控制阶段，探测器常推力发动机持续点火，相轨迹呈与引力漂移阶段开口相反的抛物线变化，直至返回切换边界xT；u为安装于探测器三轴上的常推力发动机点火时的推力加速度，x1,以及x2,分别为各轴状态相轨迹中状态下切换状态A和上切换状态B的位置和速度，且①在探测器i轴方向(i＝x,y,z)运动状态相轨迹上，当非线性引力加速度h分量hi＜0(i＝x,y,z)时，上切换状态为初始状态；探测器i轴(i＝x,y,z)控制死区右端为引力漂移阶段，系统从初始状态沿左向开口抛物线经右端顶点到达下切换状态探测器i轴(i＝x,y,z)控制死区左端为常推力控制阶段，系统从下切换状态沿右向开口抛物线经左端顶点返回上切换状态②在探测器i轴方向(i＝x,y,z)运动状态相轨迹上，当非线性引力加速度h分量hi＞0(i＝x,y,z)时，下切换状态为初始状态；探测器i轴(i＝x,y,z)控制死区左端为引力漂移阶段，系统从初始状态沿右向开口抛物线经左端顶点到达上切换状态探测器i轴(i＝x,y,z)控制死区右端为常推力控制阶段，系统从上切换状态沿左向开口抛物线经右端顶点返回下切换状态步骤三、设计探测器三轴上常推力发动机控制律，即确定探测器三轴上常推力发动机开关控制边界xT；探测器i轴(i＝x,y,z)引力漂移阶段的相轨迹C1为：C1:x=12hix·2+x1-x122hi---(3)]]>探测器i轴(i＝x,y,z)常推力控制阶段相轨迹C2为：C2:x=12(u+hi)x·2+x2-x222(u+hi)---(4)]]>为保证周期变化段探测器i轴(i＝x,y,z)的悬停精度，引力漂移阶段的相轨迹C1、常推力控制阶段相轨迹C2必须在控制死区内，得到速度下界附近的状态A和速度上界附近的状态B约束边界为降低常推力发动机开关频率且节省燃料，让引力漂移阶段时间尽可能久，令M状态位于非线性引力加速度方向位置边界上，即M状态速度xM＝‑a·sign(h)；令速度上边界附近的状态B点位于速度上界，即B状态速度位置此时设定状态N位置xN=x1-x·122(hi+u)=-a·sign(hi)+b22hi-b22(hi+u)---(6)]]>根据得到的状态N位置xN是否在控制死区内确定切换边界xT，具体实现方法如下：①当状态N位置和速度在控制死区内，即|xN|≤a时，引力漂移段和常推力控制段都在死区内，切换边界xT为：xT=-a·sign(hi)+b22hi---(7)]]>②当状态N位置和速度在控制死区外，即|xN|＞a时，为充分利用控制死区，故令常推力控制段相轨迹二次曲线顶点状态N在与非线性引力加速度h反向的位置边界上，即xN=x1-x·122(hi+u)=-a·sign(hi)---(8)]]>得切换边界xT为：xT=4ahi(hi+u)u·sign(hi)-a·sign(hi)---(9)]]>步骤四、采用二阶滑模快速收敛控制使得探测器小天体固连坐标系各轴上状态到达引力漂移阶段初始状态；根据步骤三得到的切换边界xT，实现探测器在小天体固连坐标系各轴上状态相轨迹在引力漂移阶段和常推力控制阶段周期交替循环，实现探测器在控制死区内稳定、省燃料的常推力悬停。