非合作自主交会对接的动态障碍物躲避制导

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1、2010年12月中国空间科学技术39第6期ChineseSpaceScienceandTechnology非合作自主交会对接的动态障碍物躲避制导宋申民张大伟裴润(哈尔滨工业大学航天学院。哈尔滨150001)摘要首先，在视线坐标系下建立了系统相对运动状态方程，将人工势函数制导方法应用于航天器的非合作自主交会对接任务和动态障碍物躲避问题。其次，利用Lyapunov稳定性理论分析证明了在该制导方法控制下系统的稳定性，并且研究讨论了两种不同情形下的动态障碍物躲避效果，分析了人工势函数制导方法的应用能力。最后，用精确的数学模型进行了数值仿真，验证了

2、制导方法应用于所研究问题的正确性和有效性。关键词自主交会对接人工势函数制导非合作目标动态障碍物躲避航天器1引言航天器在轨服务作为一种使空间系统延长工作寿命和减少空间任务开销的有效途径，长时间以来受到了广泛的关注与研究。其中，在轨维护关键性的一步便是交会对接任务，并且在此方面已经取得了长足的进步[1]。然而，交会对接中航天器的运动很大程度上还需要人为的参与(同行宇航员或者地面站的参与控制)，因此在过去的十几年中，对于追踪航天器和目标航天器无人参与自主交会对接技术的发展需求已经越来越迫切。在自主交会对接(AutonomousRendezvou

3、sandDocking，AR&D)任务中，很多工作都是在空间机构附近完成的，航天器和其物理机构是很容易发生意外碰撞的，因此，在安全范围内的运动轨迹应该是在不碰撞障碍物的条件下保证交会对接的完成。AR&D任务中的关键技术是设计制导控制方法，使追踪航天器在无碰撞条件下沿着对接方向接近目标航天器。典型的航天器自主接近方法是利用人工智能或者专家系统以达到实时在线制导与控制的目的Lz-3]。另外，一些传统的鲁棒控制方法和优化方法也被应用在AR&D问题中¨-6]。人工势函数制导(ArtificialPotentialFunctionGuidance，

4、APFG)方法是一种来自于陆地机器人路径规划技术中的制导方法，不但能够在理论上严格证明其稳定性，而且有着广泛的应用，具有计算效率高的优点，可以被用于航天器在轨维护的自主交会和自主路径规划问题L7-9]、航天器监察伴飞[10]以及飞行器编队飞行[110等航空航天的诸多领域。AR&D问题中，在有着大量研究成果的同时，也存在着许多理论与应用上的局限性与困难。首先，相对坐标系基本都是选择的轨道坐标系，其坐标值的获取非常依赖予高精度的地面遥测和滤波器。其次，两个航天器的相对运动模型都是用Clohessy—Wiltshire(C-W)方程描述的，需要

5、两个航天器运行的轨道都是近圆轨道。再次，在以前的研究中目标航天器都是合作的，即目标航天器对接轴方向在地心惯性(Earth—CenteredInertial，ECI)坐标系中是固定的。最后，在以前人工势函数障碍物躲避问题的研究中，障碍物都是静态的，即相对于目标航天器在惯性空间中是静止的。本文应用APFG，不但完成了非合作航天器AR&D任务，并且克服了上述局限性和缺点。收稿【j期I2010—03—22。收修改稿日期l2010—06—0340中国空间科学技术2010年12月2系统建模2．1视线坐标系在视线坐标系下建立的目标和追踪航天器相对运动方

6、程具有两个主要优点：1)视线坐标方程可以应用于任意的轨道形式；2)在视线坐标方程的状态变量收敛于期望值的过程中，追踪器会自主地接近目标航天器的对接轴。视线坐标系的定义、视线倾角q。∈(一兀／2，兀／2)和视线偏角qpE(一兀兀)的定义参见文献1-12-1。其中从地心惯性坐标系到视线坐标系的坐标变换矩阵为[12]fc。sq,cosqp8ingl—c。sql8inqplG一卜sinq,cosqpcosq。sinq。sinqpI(1)lsin郇ocos郇J2．2相对动力学方程与状态方程视线坐标系下目标航天器相对于追踪航天器的相对动力学状态方程‘

7、121Z1。224主2225／xl主3=z6／(zlCOSX2)毛一(z；+z：)／x。+△g，+丘一“，主5一--39425／zl—x2sinx2／(z1COSX2)+Ag，+^一越y磊一一z426／xl+z526sinx2／(zlCOSX2)一Ag。一，：+“。(2)式中系统的状态变量定义为zl=lD，z2一吼，z3一劬，z4----p，z5----p毒。，z6=pq_日cosq．；P和cosq,由其定义可知是正定的；P为视线坐标系下目标航天器相对于追踪航天器在视线轴方向上的坐标；，=[丘厂，，：]T和口一[配：“，“。]T分别为施加

8、在目标器和追踪器上的控制加速度向量；△g=lag，Ag，Ag。]T为两者引力差项，是很难获得具体解析式的，且无法测量获得，然而当相对距离很小时，引力差项可以忽略不计。公式(2)中变量的主要优点