[发明专利]一种相对速度未知的平动点轨道交会控制方法

说明书

本发明涉及一种相对速度未知的平动点轨道交会控制方法，包括：建立非线性平动点轨道相对动力学模型、设计有限时间收敛的微分器和平动点轨道交会的有限时间收敛预设性能控制；所提出的基于有限时间收敛观测器的有限时间预设性能控制方法能够保证交会系统状态在有限时间内满足实际的预设性能，即可以在有限时间内实现追踪航天器与目标航天器的安全精确交会，为深空探测中平动点轨道交会任务提供了一种高精度的鲁棒控制策略。

技术领域

本发明属于深空航天器自主交会技术领域，涉及一种仅需相对位置信息的基于有限时间收敛微分器的平动点轨道交会自主控制方法。

背景技术

由于圆型限制性三体问题的平动点轨道存在近地轨道所不具有的性质而受到大量的关注，在过去的几十年，世界各国已经在日-地平动点轨道发射多个航天器，地-月L2点由于其特殊的空间位置，可以作为研究太阳系的中继站而吸引大量的关注。中国在2018年6月14日成功在发射“鹊桥”中继卫星使其沿着地-月L2点的Halo轨道运行。这些深空探测航天器的造价高昂，如果发生故障，由于平动点轨道的不稳定特性，在平动点轨道的不稳定流形方向稍加扰动，处于平动点轨道的高速旋转故障航天器便会在较短时间内偏离轨道，到达地球附近并高速进入大气层，将严重威胁近地空间航天器的安全。因此，需要研究平动点轨道非合作航天器的交会对接，平动点轨道非合作目标自主交会对接的成功实施将对于平动点轨道附近航天器的修复和营救有重要的意义。

自1960年以来，二体系统的交会对接(RVD)得到了广泛的研究，但三体环境下的交会对接(RVD)还没有得到足够的研究。与近地轨道不同，平动点轨道具有明显的非线性特征。因此，近地轨道交会对接理论不能直接应用于平动点轨道的交会。更重要的是，平动点附近的轨道是非常不稳定的，在不稳定流形方向的微小扰动会在短时间内使航天器偏离周期轨道。这些特殊的动力学特性为平动点轨道交会对接的研究提供了新的背景。在设计安全交会轨迹策略时应该考虑这些差异。目前平动轨道交会是在全状态已知的情形下设计交会控制律(参考文献1：Satoshi U,Naomi M and Toshinori I,A Study on RendezvousTrajectory Design Utilizing Invariant Manifolds of Cislunar Periodic Orbits.[C]AIAA Guidance,Navigation,and Control Conference,Grapevine,Texas,9-13January 2017,参考文献2：Yijun L,Yunhe M,Guojian T,etal.Constant-thrustglideslope guidance algorithm for time-fixed rendezvous in real halo orbit[J].Acta Astronautica,2012,79:241–252)。但在实际应用中，用于测量相对速度的传感器一般造价比较昂贵，当航天器在不携带测量相对速度的传感器时，没有速度测量的平动点轨道交会将是一个挑战。平动点轨道交会面临的另一个问题是交会控制律的收敛时间。目前，平动点轨道交会控制律大多是渐近收敛，但是有限时间收敛的控制器比渐近收敛的控制器具有更强的鲁棒性和更高的精度(参考文献3：Xinhua W,Zengqiang C,and GengY.Finite-time-convergent differentiator based on singular perturbationtechnique[J].IEEE Transactions on Automatic Control,2007,52(9),1731-1737；参考文献4：Yingying C,Haibo D,Yigang H.Finite-time tracking control for a class ofhigh-order nonlinear system and its applications.[J]Nonlinear dynamics.2014,76:1133-1140.)，因此对于平动点这种对交会精度要求比较高的任务，有必要研究有限时间收敛的控制律。

发明内容

要解决的技术问题