[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

说明书

技术领域

本发明涉及空间站安全区域设计技术，具体涉及一种满足被动安全要求的空间站 安全区域设计方法。

背景技术

空间站作为长期在轨科研平台，可以充分利用多种特殊的空间资源，开展医学、天 体物理科学、生物科学、新材料科学等基础研究，具有重要应用价值。空间站在建造和运营 期间需经常与来访飞行器交会以完成载荷运输、乘员轮换、物资补给等任务。空间站造价昂 贵、体积庞大，并且交会任务繁杂多样，需对来访航天器的安全交会对接问题给予足够重 视。国际空间站在设计之初，就定义了相应的安全区域和准则，以保证交会的安全性。

我国即将建造和运营自己的空间站系统。然而，届时若照搬国际空间站的安全区 域设置，则未必符合我国工程实际，可能会带来极大的安全隐患。因此需提出合理的空间站 安全区域设计方法，并设置符合我国实际工程状况的安全区域。国内相关学者对给定安全 区下的交会控制方法进行了不少研究，但鲜有对安全区域进行设计的研究。如何实现一种 满足被动安全要求的空间站安全区域设计方法，已经成为空间站系统应用中亟待解决的关 键技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种设计方法正确合 理、既保证了空间站的安全，也为来访航天器排除故障提供了充足的时间、设计结果对实际 工程任务的适用性好的满足被动安全要求的空间站安全区域设计方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种满足被动安全要求的空间站安全区域设计方法，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}。

优选地，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；