[发明专利]一种空间翻滚目标位姿同步跟踪控制方法

说明书

本发明涉及一种空间翻滚目标位姿同步跟踪控制方法，第一步，建立描述追踪航天器与空间翻滚目标相对位置运动的数学模型；第二步，建立翻滚目标的姿态运动方程；第三步，建立追踪航天器与翻滚目标的相对姿态运动模型；第四步，根据第一步建立的相对位置运动模型和第三步建立的相对姿态运动模型，设计快速滑模控制方法，实现追踪航天器对翻滚目标的位姿同步跟踪控制。

技术领域

本发明涉及一种空间翻滚目标位姿同步跟踪控制方法，实现对空间翻滚目标的高精度位姿同步跟踪控制，属于航天器控制领域。

背景技术

失效航天器、空间碎片受太阳光压、重力梯度等外部摄动力矩及自身残余角动量的影响，其姿态运动会演变为复杂翻滚运动，成为“空间翻滚目标”。例如，我国“鑫诺二号”卫星故障后进入了带有章动的慢旋状态，日本X射线卫星“瞳”失控后呈现出了几圈/秒的高速翻滚状态。随着航天活动的不断增加，以翻滚目标为代表的非合作目标数量急剧上升，对正常运行的航天器构成了严重威胁。据统计，非合作目标与正常航天器的碰撞预警高达80次/周。因此，美欧等国均在积极发展面向非合作目标的在轨服务与维护技术，旨在通过故障卫星的捕获和维修、空间碎片的跟踪和移除等任务延长卫星寿命，减少非合作目标数量。翻滚目标位姿同步跟踪控制是实现非合作目标在轨维护与服务的前提和关键技术。

翻滚目标位姿同步跟踪(图2)是指为了实现对翻滚目标特征点(对接机构、抓捕点)的稳定跟踪，追踪航天器在绕飞、接近等过程中保持与特征点的空间运动状态同步和对特征点的高精度姿态指向。

现有技术主要有如下：

(1)近距离相对位置运动模型主要采用近圆轨道的C-W方程或椭圆轨道的T-H方程。但是，上述方程需要翻滚目标精确的运动参数作为支撑，然而翻滚目标的非合作特性导致无法精确、可靠地获取相关参数。

(2)基于视线坐标系(LOS)的相对运动模型虽然不受目标运动参数的限制，但是传统的LOS仅考虑了目标的高低角和方位角，没有考虑视线绕自身的旋转，不能精确、直观地体现翻滚目标的相对运动特性。

(3)基于对偶四元数的姿轨耦合模型虽然形式相对简单，但因为运算形式复杂，现代控制律并不能直接推广应用。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种空间翻滚目标位姿同步跟踪控制方法，实现三维相对运动方程的解耦，能精确、直观地体现翻滚目标的相对运动特性。

本发明技术解决方案：包括以下步骤：

第一步，建立描述追踪航天器与空间翻滚目标相对位置运动的数学模型；

第二步，建立翻滚目标的姿态运动方程；

第三步，基于第二步建立的翻滚目标姿态运动方程，建立追踪航天器与翻滚目标的相对姿态运动模型；

第四步，根据第一步建立的数学模型和第三步建立的相对姿态运动模型，设计快速滑模控制方法，实现追踪航天器对翻滚目标的位姿同步跟踪控制。

所述第一步具体实现过程如下：

(1)建立视线旋转坐标系O-e_re_θe_ω，如图3所示，其中视线方向的单位矢量为e_r，其自旋角速度为e_ω，定义e_θ＝e_ω×e_r，从而e_r和e_θ组成视线瞬时旋转平面。假设追踪航天器与翻滚目标的相对位置矢量为：

r＝re_r(2)

其中，r是追踪航天器与翻滚目标的相对距离。