專利名稱：橢圓軌道上小推力調(diào)相機(jī)動(dòng)設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種橢圓軌道上小推力調(diào)相機(jī)動(dòng)設(shè)計(jì)方法，屬于航天器軌道機(jī)動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
調(diào)相段是空間交會(huì)對(duì)接，地球同步衛(wèi)星入軌等任務(wù)的重要組成部分，調(diào)相機(jī)動(dòng)設(shè)計(jì)是此類任務(wù)設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)。根據(jù)目前的推進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)調(diào)相任務(wù)可以采用傳統(tǒng)脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)和小推力發(fā)動(dòng)機(jī)兩種方式。比較而言，小推力發(fā)動(dòng)機(jī)比沖高、質(zhì)量輕，可以有效降低調(diào)相過程中的燃料消耗，更具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)。然而，小推力發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間長(zhǎng)、作用下的軌道呈非開普勒的特點(diǎn)也給調(diào)相機(jī)動(dòng)設(shè)計(jì)帶來了難題。在傳統(tǒng)的脈沖調(diào)相任務(wù)設(shè)計(jì)中，漂移段可用圓錐曲線進(jìn)行描述，設(shè)計(jì)變量?jī)H包括機(jī)動(dòng)脈沖和漂移時(shí)間等少量參數(shù)。而對(duì)于小推力 調(diào)相任務(wù)而言，機(jī)動(dòng)控制律是長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，其優(yōu)化設(shè)計(jì)的本質(zhì)為求解連續(xù)最優(yōu)控制問題。針對(duì)這一問題，可以采用直接法或間接法等數(shù)值算法進(jìn)行求解，但這些解法在沒有良好初值條件下，很難達(dá)到收斂。尤其對(duì)于橢圓軌道調(diào)相任務(wù)，影響調(diào)相機(jī)動(dòng)最優(yōu)性的參數(shù)相比圓軌道情況更多，初始設(shè)計(jì)也更為困難。因此如何從小推力橢圓軌道調(diào)相問題本質(zhì)出發(fā)，探求快速有效的調(diào)相機(jī)動(dòng)關(guān)鍵參數(shù)初始設(shè)計(jì)方法，從而為精確設(shè)計(jì)提供可靠初值，加快調(diào)相任務(wù)設(shè)計(jì)效率是需要解決的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題。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)[I] (Zhang Jin, WangXiang,Ma Xiao—bing，Tang Yi，Huang Hai-bing. Spacecraft long-durationphasing maneuver optimization using hybrid approach[J]. ActaAstronautica, 2012，72:132-142.)，針對(duì)多脈沖調(diào)相機(jī)動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，考慮調(diào)相圈數(shù)為設(shè)計(jì)變量，將調(diào)相機(jī)動(dòng)優(yōu)化轉(zhuǎn)換為一個(gè)混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題，然后結(jié)合分枝定界算法和序列二次規(guī)劃算法對(duì)問題進(jìn)行了求解。然而，該方法是針對(duì)脈沖式調(diào)相軌道展開研究的，無法適用于小推力調(diào)相機(jī)動(dòng)的設(shè)計(jì)。在先技術(shù)[2](Hall C D, Victor ColIazo-Perez V. Minimum-timeorbital phasing maneuvers[J] . Journal of Guidance,Control, andDynamics, 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)問題，但該數(shù)值算法受制于初值猜測(cè)是否準(zhǔn)確，魯棒性較差，且無法適用于推力小、作用時(shí)間長(zhǎng)的情況。并且該方法是針對(duì)圓軌道調(diào)相任務(wù)提出的，而橢圓軌道由于任務(wù)初始位置也會(huì)影響最優(yōu)性，故該算法無法直接適用于橢圓軌道上的調(diào)相機(jī)動(dòng)設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法無法對(duì)小推力橢圓軌道調(diào)相機(jī)動(dòng)進(jìn)行快速初始設(shè)計(jì)，提出了一種橢圓軌道上小推力調(diào)相機(jī)動(dòng)設(shè)計(jì)方法。本方法首先基于推力方向?qū)教炱飨辔蛔兓挠绊懸?guī)律，提出兩種可行的調(diào)相策略；然后，利用約束松弛、軌道平均化等技術(shù)，將復(fù)雜的調(diào)相機(jī)動(dòng)設(shè)計(jì)問題簡(jiǎn)化為一個(gè)僅包含三個(gè)參數(shù)的優(yōu)化問題。再根據(jù)小推力橢圓軌道調(diào)相任務(wù)特點(diǎn)，通過采用軌道平均化技術(shù)和忽略次要約束，對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，從而實(shí)現(xiàn)高效快速地獲得橢圓軌道調(diào)相機(jī)動(dòng)參數(shù)初值，具有計(jì)算量小、半解析等特點(diǎn)?！N橢圓軌道上小推力調(diào)相機(jī)動(dòng)設(shè)計(jì)方法，具體包括如下步驟步驟1，求解半徑與橢圓軌道半長(zhǎng)軸相等的圓軌道所需調(diào)相時(shí)間，將其作為橢圓調(diào)相時(shí)間的初值猜測(cè)。令初始時(shí)刻為O。對(duì)于外旋策略，調(diào)相時(shí)間滿足方程組
權(quán)利要求
1.橢圓軌道上小推力調(diào)相機(jī)動(dòng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括以下步驟 步驟1，求解半徑與橢圓軌道半長(zhǎng)軸相等的圓軌道所需調(diào)相時(shí)間，將其作為橢圓調(diào)相時(shí)間的初值猜測(cè)； 令初始時(shí)刻為O ;對(duì)于外旋策略，調(diào)相時(shí)間滿足方程組 _ I ·,Λα A _ Ia3 ζζI - fl ^ zzz -4~ I............ H 逢2J d/ 0 % μ ..rw = m λ ^γc 對(duì)于內(nèi)旋策略，調(diào)相時(shí)間滿足方程組 ——I I* cl ^7 -I Cf Cl = Hh —丨-Q/ = η 一 I-H / O ^ Ia I .O 41 c m 2Jl· cl/^ μ / = m—i 其中 表示初始時(shí)刻軌道的半長(zhǎng)軸大小，AMtlS調(diào)相開始前追蹤航天器與目標(biāo)航天器之間的初始平近點(diǎn)角差，tm為調(diào)相推力方向轉(zhuǎn)換時(shí)刻，U。為推力大小，g為調(diào)相軌道的平均半長(zhǎng)軸，初值取為a。； 利用牛頓迭代方法求解調(diào)相時(shí)間方程組，得到時(shí)間值tm ； 步驟2，分別將時(shí)間值tm和2tm作為橢圓調(diào)相任務(wù)調(diào)相推力方向轉(zhuǎn)換時(shí)刻tm和調(diào)相結(jié)束時(shí)刻tf的初值，進(jìn)行橢圓軌道調(diào)相機(jī)動(dòng)參數(shù)的解析計(jì)算，得到沿速度方向調(diào)相的時(shí)間h和沿速度反方向調(diào)相的時(shí)間t2 ； 具體過程為 設(shè)在調(diào)相過程中偏心率e不變，固定一個(gè)初始相位Ea(O)，通過軌道平均法，橢圓軌道調(diào)相策略滿足的約束為 ^ =今(式刺，/以4))-巧(#4)石⑷)=O 其中EA(t)為追蹤航天器t時(shí)刻的偏近點(diǎn)角,/表示調(diào)相前半段的半長(zhǎng)軸平均值，死表示調(diào)相后半段的半長(zhǎng)軸平均值； 對(duì)于外旋策略 / V I^i(O) f "γφ|;::丨::丨 對(duì)于內(nèi)旋策略 7If = M
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的橢圓軌道上小推力調(diào)相機(jī)動(dòng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述調(diào)相前半段為調(diào)相推力方向轉(zhuǎn)換之前的調(diào)相階段，調(diào)相后半段為調(diào)相推力方向轉(zhuǎn)換之后的調(diào)相階段。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的橢圓軌道上小推力調(diào)相機(jī)動(dòng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于最優(yōu)初始相角及時(shí)間的求解方法為 建立最優(yōu)調(diào)相機(jī)動(dòng)所滿足的約束方程組
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的橢圓軌道上小推力調(diào)相機(jī)動(dòng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于步驟5所述的策略選取方法為 分別計(jì)算外旋策略和內(nèi)旋策略下最優(yōu)控制律對(duì)應(yīng)的總時(shí)間
全文摘要
本發(fā)明涉及一種橢圓軌道上小推力調(diào)相機(jī)動(dòng)設(shè)計(jì)方法，屬于航天器軌道機(jī)動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域。本方法首先基于推力方向?qū)教炱飨辔蛔兓挠绊懸?guī)律，提出兩種可行的調(diào)相策略；然后，利用約束松弛、軌道平均化等技術(shù)，將復(fù)雜的調(diào)相機(jī)動(dòng)設(shè)計(jì)問題簡(jiǎn)化為一個(gè)僅包含三個(gè)參數(shù)的優(yōu)化問題。再根據(jù)小推力橢圓軌道調(diào)相任務(wù)特點(diǎn)，通過采用軌道平均化技術(shù)和忽略次要約束，對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，從而實(shí)現(xiàn)高效快速地獲得橢圓軌道調(diào)相機(jī)動(dòng)參數(shù)初值，具有算法簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)、計(jì)算效率高等優(yōu)點(diǎn)，適用于同一橢圓軌道上小推力調(diào)相機(jī)動(dòng)的初始設(shè)計(jì)，也適用于軌道偏差較小的不同橢圓軌道間的調(diào)相機(jī)動(dòng)初始設(shè)計(jì)。
文檔編號(hào)G06F19/00GK102968566SQ20121049934
公開日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月29日
發(fā)明者尚海濱, 崔平遠(yuǎn), 王帥, 竇強(qiáng), 趙遵輝 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)