[发明专利]一种基于B样条函数的卫星路径规划和预测控制的跟踪方法

说明书

本发明公开了一种基于B样条函数的卫星路径规划和预测控制的跟踪方法，包括如下步骤：建立卫星相对空间站运动的轨道模型及误差模型；为了在卫星始终不悬停的状态下获得光滑且能够躲避障碍物的卫星参考路径，设计安全通道约束以及基于B样条函数设计路径规划方法；通过投影的方法解算出卫星参考路径的参考状态量及参考输入量；建立基于模型预测控制的跟踪控制器；考虑到卫星传感器探测范围有限，设计一种边规划边跟踪的动态路径规划及跟踪控制算法。本发明综合考虑了卫星的路径规划和轨迹跟踪，规划的路径光滑且能够躲避障碍物，同时设计的跟踪器具有良好的跟踪效果，实用性强，稳定性高，适用于航天器控制领域中航天器的路径规划及跟踪控制。

技术领域

本发明涉及一种基于B样条函数的卫星路径规划和预测控制的跟踪方法，主要应用于航天器路径规划及跟踪控制，属于航天器控制技术领域。

背景技术

空间站作为一种长时间在轨运行，为人类提供开发太空资源，观测太空环境的载人航天器，已经吸引了众多国内外研究人员进行科学研究。随着空间站的研究与发展，其长期在轨稳定运行离不开航天器的监视与侦查，如美国的AERCam微小卫星，对空间站进行外部检查；以及空间站舱外监视器Inspector，对空间站进行舱外维修与检测。除此之外，航天员出舱维护与管理也是空间站稳定运行必不可少的保证，然而，航天员出舱活动风险大、费用高，针对此问题，各国相继研制开发了代替航天员舱外活动的微小卫星，同时其可以完成各种各样复杂的空间任务。

微小卫星体积小，质量轻，成本低，在完成很多复杂的空间任务上发挥着越来越大的作用，如深空探测、悬停绕飞、检测侦查、维修管理等空间任务。随着科学技术的进步与发展，空间站中的卫星功能将会更加强大，应用越来越灵活，作用也会随之更加广泛，因此，在空间站上释放卫星的需求将会增加。目前，国际空间站上已经安装有专门释放卫星的装置，如国际空间站上的日本实验模块小卫星轨道释放器和NanoRacks立方体卫星释放器。

空间站中释放出的卫星需要考虑其对空间站产生的碰撞，对空间碎片等障碍物的碰撞，以及卫星相互之间的碰撞威胁，因此在空间站释放卫星的路径规划问题中，躲避障碍物是不可避免的难题及任务之一。同时，在规划的路径基础上，卫星需要进行实时在线跟踪，满足空间站复杂环境下的各种约束，以及具有良好的跟踪效果。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于B样条函数的卫星路径规划和预测控制的跟踪方法，利用B样条函数进行路径规划，保证曲率最小使得卫星路径尽可能的光滑连续，同时设计躲避障碍物的安全通道，以防止卫星与空间障碍物发生碰撞，并通过投影的方法得到参考状态量及参考输入量；除此之外，基于设计好的路径结合模型预测控制进行轨迹跟踪，达到燃料最优的优化性能并满足输入约束，同时建立反馈控制器，终端约束惩罚项以及终端约束集，保证了闭环系统的稳定性，使得卫星具有良好的跟踪效果，此外，由于卫星传感器探测范围的限制，整个算法过程为边路径规划边进行轨迹跟踪，增加了工程实用性。

根据本发明的一方面，提供了一种基于B样条函数的卫星路径规划和预测控制的跟踪方法，包括以下步骤：

S1：建立卫星相对空间站运动的轨道模型和误差模型；

S2：基于规划的卫星路径尽可能光滑且能够躲避空间障碍物的要求，设计卫星躲避障碍物的安全通道约束，以及基于B样条函数，设计路径规划方法，得到卫星参考路径，然后利用投影的方法解算出卫星参考路径的参考状态量及参考输入量；

S3：基于步骤S1建立的卫星的误差模型以及步骤S3得到的卫星参考路径，建立基于模型预测控制的跟踪控制器(MPC控制器)；

S4：基于步骤S3得到的卫星参考路径和步骤S4建立的跟踪控制器，设计边规划边跟踪的动态路径规划及MPC跟踪控制器，使得卫星安全抵达目标位置。

进一步地，所述步骤S1中的卫星相对空间站运动的轨道模型如下：