[发明专利]一种空天飞行器在轨操作相对位置姿态联合控制方法

说明书

本发明涉及一种空天飞行器在轨操作相对位置姿态联合控制方法，针对发动机有限推力以及饱和特性，通过多项反馈补偿措施，实现任意目标姿态与任意目标位置的一体化控制，具有高效率、高任务适应性、流程简单、易于实现的优点；解决了现有在轨操作中相对位置与相对姿态控制方法重复性强、工作量大、任务适应性差等问题，并且本发明基于不依赖于发动机布局形式的自适应发动机分配方法，对不同发动机布局结果无需重新设计分配算法，有效简化设计流程；对于多通道耦合发动机布局配置的飞行器，任务适应性强。

技术领域

本发明涉及一种空天飞行器在轨操作相对位置姿态联合控制方法，属于可重复使用飞行器在轨操作技术领域。

背景技术

空天飞行器是一类新型的飞行器，穿梭跨越大气层、往返于天地之间，飞行器兼顾航天、航空飞行器双重特性。随着空间技术的快速发展与空间应用的不断拓展，各航天大国相继研制大量面向各种任务需求的空天飞行器，提出了大量新概念计划，系统组成口趋复杂、任务口益多样、性能水平不断提升，自主性要求越来越高。其中，近距离在轨操作对飞行器适应任务的灵活能力、优越的时间和空间覆盖能力、高可靠和生存能力等提出了更高要求，代表了航天领域发展的重要方向，引起航天界的极大关注，同时也孕育了许多新的应用概念，如自主在轨服务技术和集群飞行概念，成为航天领域研究与应用的前沿。美国国防高级研究计划局(Department of Advanced Research Project Agency，DARPA)于2007年完成轨道快车计划(Orbit Express，OE)；2006年提出并开始实施分离模块集群航天器(以下简称集群航天器)F6(Future，Fast，Flexible，Fractionated，Free-Flying Spacecraft，F6)计划；2011年启动“凤凰”(Phoenix)计划等。

飞行器近距离操作任务越来越复杂，对其快速响应性、自主性及可靠性要求越来越高，主要情形包括：

(1)自主在轨捕获与维修、在轨监视、在轨更换、在轨组装、在轨加注等自主在轨服务，涉及多种飞行器近距离操作任务，如自主交会、物理对接、自主抓捕锁定等，对近距离操作的安全性、可靠性即自主防撞提出了更严格的要求；

(2)由多颗模块飞行器组成的功能完整的虚拟飞行器系统进行集群飞行，亦涉及大量的近距离操作，如分散与集结、模块飞行器的插入/退出、快速构形重构等，在面临系统级通信不确定性、导航不确定性等情况下，对系统整体的自主碰撞规避能力提出了更高要求。

上述两类飞行器近距离操作任务是目前国际上航天技术的发展前沿且具有更高的复杂性和更好的代表性。国内外在此领域开展了许多研究，包括相对轨道姿态耦合动力学、碰撞风险评估方法、自主防碰撞控制方法等。

传统在轨操作中相对位置与相对姿态控制采用分立式设计，存在方法重复性强、工作量大、任务适应性差等问题，需针对在轨操作控制精度要求，提出一种适用于该类空天飞行器的相对位置姿态联合控制方法，以实现飞行器安全、可靠、自主的实施在轨捕获、更换、组装等目标。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种基于递阶饱和理论的空天飞行器在轨操作相对位置姿态联合控制方法，该方法具有高效率、高任务适应性、流程简单、易于实现的优点。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种空天飞行器在轨操作相对位置姿态联合控制方法，包括：

确定飞行器运动控制参数；

设计飞行器转动三轴递阶饱和控制器指令u_c，根据所述飞行器转动三轴递阶饱和控制器指令u_c和刚体卫星姿态动力学方程，得到飞行器指令力矩T_c；