專利名稱：共面圓軌道間的小推力調(diào)相機(jī)動(dòng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種共面圓軌道間的小推力調(diào)相機(jī)動(dòng)方法，適用于地球衛(wèi)星小推力調(diào)相軌道的初始設(shè)計(jì)，屬于航天器軌道機(jī)動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
調(diào)相機(jī)動(dòng)在空間探測(cè)任務(wù)中有著廣泛的應(yīng)用，是空間交會(huì)對(duì)接、地球同步衛(wèi)星入軌等任務(wù)實(shí)現(xiàn)的必要途徑。相比傳統(tǒng)脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)，采用高效的小推力發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)航天器軌道調(diào)相機(jī)動(dòng)可有效降低任務(wù)過(guò)程中的燃料消耗，但小推力發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間作用、軌道呈非開(kāi)普勒的特性也給調(diào)相機(jī)動(dòng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了難題。采用傳統(tǒng)脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行軌道調(diào)相機(jī)動(dòng)時(shí)，只需要根據(jù)航天器當(dāng)前和目標(biāo)的軌道狀態(tài)，在解算Lambert問(wèn)題的基礎(chǔ)上搜索調(diào)相時(shí)間便可獲得最優(yōu)的調(diào)相機(jī)動(dòng)；而當(dāng)采用小推力發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，其對(duì)應(yīng)的調(diào)相機(jī)動(dòng)設(shè)計(jì)問(wèn)題是一個(gè)連續(xù)強(qiáng)非線性控制問(wèn)題，不存在簡(jiǎn)單快速的解算方法。求解此類問(wèn)題的通常作法是將其視為最優(yōu)控制控制問(wèn)題，采用直接法或間接法等數(shù)值解法加以解決，但在關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)無(wú)預(yù)知信息的情況下，數(shù)值解法很難獲得收斂。因此如何快速有效的解算出小推力調(diào)相機(jī)動(dòng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，提高小推力調(diào)相軌道的設(shè)計(jì)效率是當(dāng)前科技人員關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。
在已發(fā)展的航天器調(diào)相軌道設(shè)計(jì)方法中，在先技術(shù)[1](空間交會(huì)目標(biāo)航天器相位調(diào)整策略[J].中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)，2011，1 :33-41.),針對(duì)非固定時(shí)間脈沖調(diào)相機(jī)動(dòng)設(shè)計(jì)問(wèn)題，從調(diào)相的基本原理出發(fā)，分析了攝動(dòng)因素對(duì)相位角的影響，在此基礎(chǔ)上給出了調(diào)相機(jī)動(dòng)的設(shè)計(jì)參數(shù)快速估計(jì)算法。然而，該方法是針對(duì)脈沖式調(diào)相軌道展開(kāi)研究的，無(wú)法適用于小推力軌道。
在先技術(shù)[2](參見(jiàn)Hal 1 C D, Collazo-Perez V. Minimum-Time Orbital Phasing Maneuvers[J]. Journal of Guidance, Control,and Dynamics,2003,26(6) :934-941.),在平面極坐標(biāo)系模型下，采用龐德利亞金極大值原理，推導(dǎo)了協(xié)狀態(tài)變量與調(diào)相機(jī)動(dòng)控制參數(shù)的關(guān)系式，進(jìn)一步通過(guò)歸一化處理，將終端軌道狀態(tài)約束簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)單的三角函數(shù)形式，并對(duì)歸結(jié)的非線性參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題采用數(shù)值打靶法進(jìn)行求解。該方法能夠應(yīng)用于時(shí)間最省小推力調(diào)相軌道機(jī)動(dòng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，但由于采用了數(shù)值打靶解法，算法的收斂性受制于初值猜測(cè)的準(zhǔn)確與否，魯棒性較差，僅適用于推力較大的情況。并且當(dāng)需要調(diào)整的相角差為180度左右時(shí)，該方法由于無(wú)法預(yù)判調(diào)相方向(前向或后向)，很容易陷入局部極小，導(dǎo)致求解失敗。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)目前的設(shè)計(jì)方法無(wú)法對(duì)小推力調(diào)相軌道進(jìn)行快速設(shè)計(jì)、無(wú)法預(yù)判調(diào)相方向等問(wèn)題，給出了一種共面圓軌道間的小推力調(diào)相機(jī)動(dòng)方法，該方法適用于共面圓軌道間的小推力調(diào)相問(wèn)題。
首先以軌道根數(shù)動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，給出了推力方向?qū)教炱飨辔挥绊懸?guī)律；然后，運(yùn)用軌道平均法推導(dǎo)了調(diào)相時(shí)間的解析表達(dá)式，并給出了初始相位差與調(diào)相時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，提供了調(diào)相方向的判定方法，提高了調(diào)相機(jī)動(dòng)的設(shè)計(jì)效率。
該共面圓軌道間的小推力調(diào)相機(jī)動(dòng)方法，包括以下步驟第一歩計(jì)算初始相位差；在任務(wù)起始、時(shí)刻，追蹤航天器A的平近點(diǎn)角為 MaUci)，目標(biāo)航天器B的平近點(diǎn)角為MJtci)，則初始相位差為AM(t0) = MB(t0)-MA(t0)第二步分別計(jì)算內(nèi)外旋策略計(jì)算參數(shù)；首先建立外旋策略中變向時(shí)間和平均軌 道半長(zhǎng)軸滿足的非線性方程組
權(quán)利要求
1.共面圓軌道間的小推力調(diào)相機(jī)動(dòng)方法，其特征在于包括以下步驟 第一步計(jì)算初始相位差；在任務(wù)起始、時(shí)刻，追蹤航天器A的平近點(diǎn)角為MJtci),目標(biāo)航天器B的平近點(diǎn)角為Mb (t0)，則初始相位差為 AM(t0) = MB(t0)-MA(t0)；第二步分別計(jì)算內(nèi)外旋策略計(jì)算參數(shù)；首先建立外旋策略中變向時(shí)間和平均軌道半長(zhǎng)軸滿足的非線性方程組
全文摘要
本發(fā)明為一種共面圓軌道間的小推力調(diào)相機(jī)動(dòng)方法，第一步計(jì)算初始相位差；第二步計(jì)算內(nèi)外旋策略機(jī)動(dòng)參數(shù)；第三步確定調(diào)相機(jī)動(dòng)參數(shù)；本發(fā)明以軌道平近點(diǎn)角描述追蹤航天器和目標(biāo)航天器的相位關(guān)系，得到初始相位差與推力方向等參數(shù)的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上根據(jù)調(diào)相任務(wù)特點(diǎn)，得到了兩種可行的調(diào)相策略，簡(jiǎn)化了算法復(fù)雜度；然后利用軌道平均技術(shù)，建立了調(diào)相變向時(shí)間和平均半長(zhǎng)軸滿足的非線性方程組，該方法組可通過(guò)簡(jiǎn)單的Newton迭代求解，增強(qiáng)了算法魯棒性，提高了設(shè)計(jì)效率。該方法提供了調(diào)相方向的快速判別方法，能夠?yàn)樾⊥屏φ{(diào)相軌道的精確設(shè)計(jì)提供合理可行的初值猜測(cè)。
文檔編號(hào)G06F19/00GK102508999SQ20111031076
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月14日
發(fā)明者尚海濱, 崔平遠(yuǎn), 徐瑞, 朱圣英, 王帥 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)