[发明专利]一种采用相对导航信息的J2摄动下最优队形重构方法

说明书

本发明涉及一种采用相对导航信息的J2摄动下最优队形重构方法，属于航天轨道控制领域。本发明的目的是针对考虑J2摄动的编队飞行航天器的队形重构问题，在主航天器信息未知，跟随的从航天器仅采用相对导航信息的情况下，提供一种无需初始猜测值、计算快速、适合星上使用的连续推力最优队形重构控制策略。使用该方法的编队飞行航天器，无需地面引导信息便能自主完成编队的队形重构。本发明未对相对运动方程进行线性化处理，同时考虑了地球J2摄动对编队重构的影响，适用于椭圆轨道下的连续推力队形重构问题。本发明可以仅利用从航天器与主航天器的相对运动信息，实现编队飞行的队形重构，且重构过程不需要地面支持，因此具有极强的在轨应用价值。

技术领域

本发明涉及一种采用相对导航信息的J2摄动下最优队形重构方法，尤其是一种编队飞行的队形重构问题、主航天器的运动考虑地球J2摄动，从航天器在仅采用相对导航信息的情况下的连续推力最优队形重构方法，属于航天器轨道控制领域。

背景技术

随着航天应用技术的发展，两颗或多颗航天器编队飞行，共同完成一个任务的场景越来越多，在这些任务过程中通常需要将两颗或多颗航天器的相对位置从一个模式调整到另一个模式，这个过程称为队形重构。此外，更希望以上任务能够由航天器自主完成而不依赖于地面控制的支持。目前，电推进、太阳帆等先进的连续推力技术也已经应用于航天器的轨道控制，且对航天器的控制精度要求也越来越高。

现有的航天器相对运动动力学模型基于线性化的模型精度较低，无法满足更高的队形重构精度的要求。因此本领域亟待提供一种考虑J2摄动的航天器相对运动动力学模型，在仅利用相对导航信息的情况下,基于该模型能够获得更精确的航天器队形重构轨迹。

发明内容

本发明的目的是提供一种计算速度快、无需初始猜测值的，适用于考虑地球J2摄动的编队飞行航天器，在仅采用相对导航信息下的连续推力最优队形重构方法。

本发明的技术解决方案是：

提供一种采用相对导航信息的J2摄动下最优队形重构方法，包括如下步骤：

(1)从航天器的导航敏感器实时获取本航天器相对于主航天器的相对位置和相对速度；

(2)求解黎卡提方程和最优控制线性矩阵微分方程联立的方程组，获得满足终端条件的黎卡提矩阵的数值解P(x,t)和最优控制线性矩阵微分方程的数值解M(x,t)；

(3)通过黎卡提矩阵的数值解P(x,t)和最优控制线性矩阵微分方程的解M(x,t)计算从航天器的最优连续推力，按照最优连续推力控制从航天器的飞行轨迹，与主航天器形成期望的编队构型。

优选的，通过从航天器相对主航天器的相对位置x和相对速度计算获得与动力学方程相关的系数矩阵A(x)。

优选的，黎卡提方程为：

其中Q为权重矩阵和I_6×6分别为3阶和6阶的单位阵，0_3×3为3阶零矩阵，t为时间。

优选的，最优控制线性矩阵微分方程为：

其中x_f为与给定的重构结束时刻t_f对应的从航天器相对于主航天器的状态。

优选的，终端条件为：

其中S为

优选的，求解方程组的具体方法为：

(1)根据相对位置和相对速度，估算主航天器的轨道参数，并计算从开始时刻t₀到结束时刻t_f主航天器的轨道参数离散值；