[发明专利]一种满足被动安全要求的空间站安全区域设计方法

权利要求书

1.一种满足被动安全要求的空间站安全区域设计方法，其特征在于步骤包括：

1)禁飞球设计；

2)径向脉冲转移接近椭球设计；

3)切向脉冲转移接近椭球设计；

所述步骤1)的详细步骤包括：

1.1)确定禁飞球满足被动安全要求的设计原则：来访航天器从禁飞球边沿开始对空间 站自由绕飞，一个轨道周期内轨道误差椭球不与空间站结构外延碰撞；

1.2)建立来访航天器和空间站的相对动力学与偏差预报模型；

1.3)基于来访航天器初始位于V-bar上稳定点y₀处施加的径向脉冲为根据相对动力 学方程求解出自由绕飞的轨迹方程满足其中n为来访航天器轨道角速度； 根据任务需求给定航天器联合包络球半径ρ和相对导航偏差σ，根据来访航天器和空间站的 相对动力学与偏差预报模型和所述轨迹方程预报出来访航天器的相对轨迹X(t)及其协方 差矩阵p(t)，进而计算出航天器联合包络球与相对轨迹3-σ误差椭球的最短椭球距离d；

1.4)根据禁飞球满足被动安全要求的设计原则，假设来访航天器从禁飞球的V-bar边 界开始绕飞，改变禁飞球半径R，分析绕飞时最短椭球距离d与禁飞球半径的变化关系d(R)， 得到禁飞球半径的安全区间为集合{R|d(R)>0}。

2.根据权利要求1所述的满足被动安全要求的空间站安全区域设计方法，其特征在于， 所述步骤1.2)的详细步骤包括：

1.2.1)以空间站质心为原点o，ox轴沿来访航天器位置矢量背向地心，oz轴沿轨道平面 法向，oy轴在轨道平面内与速度方向一致，并与ox、oz轴承右手直角坐标系，建立当地轨道 坐标系LVLH，使用式(1)所示的线性C-W方程描述来访航天器和空间站之间的相对运动；

x··-2ny·-3n2x=axy··+2nx·=ayz··+n2z=az---(1)]]>

式(1)中，是来访航天器的相对状态矢量，a_x、a_y、a_z分别为轨 道径向、迹向与法向的推力加速度分量，n为来访航天器轨道角速度；

1.2.2)基于初始相对状态X(t₀)、来访航天器的控制量为一系列机动冲量，确定来访航 天器和空间站之间在t时刻的相对状态如式(2)所示；

X(t)=Φ(t,t0)X(t0)+Σj=1NΦv(t,tj)Δvj---(2)]]>

式(2)中，X(t)为t时刻来访航天器和空间站之间的相对状态，X(t₀)为来访航天器和空 间站之间的初始相对状态，N为冲量个数，△v_j为t_j时刻施加的冲量，Φ(t,t₀)是从t₀时刻到 t时刻的状态转移矩阵，Φ_v(t,t′)是t′时刻的控制量U(t′)对t时刻状态的影响矩阵；状态 转移矩阵Φ(t,t₀)的函数表达式如式(3)所示；影响矩阵Φ_v(t,t′)的函数表达式如式(4)所 示；

式(3)中，Φ(t,t₀)是从t₀时刻到t时刻的状态转移矩阵，τ＝n(t-t₀)，s＝sinτ，c＝cos τ，n为来访航天器轨道角速度；

Φv(t,t′)=s/n-2(c-1)/n02(c-1)/n(4s-3τ)/n000s/nc2s0-2s-3+4c000c---(4)]]>

式(4)中，Φ_v(t,t′)是t′时刻的控制量U(t′)对t时刻状态的影响矩阵，τ＝n(t-t₀)，s＝ sinτ，c＝cosτ，n为来访航天器轨道角速度；

1.2.3)采用线性协方差分析方法，设初始导航偏差δX(t₀)和初始控制偏差δ△v_j是相互 独立的高斯分布白噪声，其协方差矩阵分别为p(t₀)和C_△vj，得到式(5)所示来访航天器和空 间站t时刻相对状态偏差的均值和协方差构成的相对动力学与偏差预报模型；

E[δX(t)]=0p(t)=Φ(t,t0)p(t0)Φ(t,t0)T+Σj=1NΦv(t,tj)CΔvjΦv(t,tj)T---(5)]]>

式(5)中，E[δX(t)]为来访航天器和空间站t时刻相对状态偏差的均值，δX(t₀)为初始导 航偏差；p(t)为来访航天器和空间站t时刻相对状态偏差的协方差，p(t₀)为协方差矩阵， C_△vj为初始控制偏差，Φ_v(t,t_j)是t_j时刻的控制量U(t_j)对t时刻状态的影响矩阵，Φ(t,t₀) 是从t₀时刻到t时刻的状态转移矩阵，N为时刻的总数量。