椭圆轨道非合作目标交会接近策略与控制.pdf

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1、2015年12月第6期中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology椭圆轨道非合作目标交会接近策略与控制徐李佳1。2胡勇1’2(1北京控制工程研究所，北京100190)(2空间智能控制技术重点实验室，北京100190)摘要文章研究了追踪航天器与失控旋转非合作目标航天器在椭圆轨道中的交会接近策略与控制。在接近策略方面，首先，根据目标航天器大致结构设定一个安全的停泊点，使追踪航天器交会至停泊点；其次，通过在停泊点对旋转目标航天器姿态的观测，分析和预测其运动并确定合适的抓捕点位置，设计安全的接近轨迹，使追踪航天器沿着该轨迹接近至理

2、想的抓捕实施点位置。在控制方面，考虑实际系统中的不确定性，只利用两航天器之间相对位置的测量信息，设计基于特征模型的自适应控制方法实现交会接近。最后通过数学仿真模拟整个交会接近过程，验证了文中所提出的接近策略和控制方法。关键词椭圆轨道；非合作目标；失控旋转；交会接近；特征模型；航天器D()I：10．3780／j．issn．1000—758X．2015．06．0011引言交会对接技术是空间任务中的关键技术之一。随着航天任务的发展，针对圆轨道合作目标的交会对接技术已不能满足一些特殊的任务要求，如处理失效卫星或空间碎片，捕获、维修在轨故障卫星，捕捉或登陆小行星等。这

3、些任务引出了交会对接新的研究方向，即椭圆轨道非合作目标的交会对接、抓捕技术。在交会对接、抓捕任务中，目标轨道为椭圆轨道相比为圆轨道的情况要复杂许多。考虑近距离交会段，一般用线性时不变的C_w方程来描述圆轨道情况下的相对运动，而对于椭圆轨道则用时变的T-H方程来描述。针对T-H方程中的时变参数项，文献[1—2]利用已知的轨道信息补偿时变项并设计反馈控制律。文献[3—4]只利用相对位置和相对速度的测量信息，设计自适应控制律。文献[5]采用以真近点角为自变量的方法设计控制律来实现两航天器的交会。但是，上述相对位置控制方法只适用于合作目标的交会，非合作目标最终接近段

4、的控制必须要考虑目标航天器的姿态运动。文献[6]基于最少时间和最小燃料消耗，设计追踪航天器与不可控旋转目标航天器的最优交会轨迹，实现该方法的前提是非合作目标的状态信息精确已知。文献[7—8]提出了一种基于制导的接近策略实现对非合作旋转目标航天器的抓捕，该方法要求很高的制导精度。文献[9]设计了相对位置及姿态控制方法，位置跟踪可以保证接近的安全性要求，但是需要快速的机动能力并可能消耗大量的燃料。为使追踪航天器安全到达能与目标航天器对接或实施抓捕的位置，同时考虑追踪航天器存在的外界干扰因素，要求设计的控制器具有一定的抗干扰能力和自适应能力。基于特征模型的控制方法

5、’10]是一种工程应用性很强的控制方法，已成功应用于航天领域多个任务中，如“神舟飞船”与“天宫一号”的交会对接任务u卜12I，航天器返回再人任务[1朝等。国家“973”计划(2013CB733100)，国家自然科学基金重点项目(61333008)，国家自然科学基金(61304027)资助项目收稿日期：2015-0602。收修改稿日期：2015-10-182中国空间科学技术2015年12月本文考虑一个主动的追踪航天器与一个在椭圆轨道上运行的被动的失控旋转目标航天器，设计一种安全的接近策略和控制方法实现追踪航天器从一定距离外安全接近至可对目标航天器实施抓捕的位置

6、。该问题的研究对空间操作任务具有一定的工程借鉴意义。2相对运动描述考虑失控旋转目标航天器所在轨道为一般的椭圆轨道，为建立轨道坐标系中两航天器之间的相对运动，首先定义如下两个坐标系：以地球引力中心为原点的地球惯性坐标系，其中T．轴和y。轴位于赤道平面内，T。轴从地球中心指向春分点，z。轴垂直赤道平面且朝北，y。轴满足右手准则；以目标航天器质心为原点的目标轨道坐标系，其中“轴和z。轴在轨道平面内，z。轴指向地球引力中心，L轴指向速度方向且垂直z。轴，v。轴垂直轨道平面，满足右手准则。两个坐标系如图1所示，其中r。，r。分别由地球引力中心指向目标航天器和追踪航天器

7、，r由目标航天器指向追踪航天器。追踪航天器图l相对运动坐标系Fig．1Coordinatesystemfortherelativemotion下面建立两航天器的相对运动方程。在地球惯性坐标系下，相对运动可以表示为一(卉一卉卜J-d+熹㈩r一卢l■丁一研／l十十iu’式中肚为地心引力常数；F为追踪航天器的控制推力；埘为追踪航天器的质量，且随着推进剂燃料的消耗而变化；f。一，一一f。。是追踪航天器的外界干扰加速度，。。与目标航天器的外界干扰加速度，。。的差，外界干扰有羽流干扰、位置姿态耦合干扰、地球摄动等。将上述在地球惯性坐标系下的运动方程式(1)转换到目标轨道

8、坐标系中，有一(卉～卉)-2(cox沪(toXr)一