[发明专利]能量最优的航天器连续动态避障轨迹规划方法

说明书

本发明公开了能量最优的航天器连续动态避障轨迹规划方法，涉及轨迹规划应用领域，本发明包括：以目标航天器为原点建立相对运动坐标系，实现在该坐标系下的转移轨迹规划；将动态障碍物运动误差偏移与正态分布概率融合引入避碰安全距离模型，给出动态避障范围以及安全矢量距离；提出一种避障点选取规则，以时间序列为参照获得初始避障点的三维空间位置，并辅以障碍物速度矢量与避障方向矢量的夹角约束，确立最终动态避障点。本发明在相对运动方程和有限时间的能量最优模型基础上，建立了相对运动能量最优模型，确定动态避障点方向和长度，使得动态避障轨迹满足最优性、可靠性、有效性以及准确性，减少航天器转移过程的燃料消耗。

技术领域

本发明涉及轨迹规划应用领域，尤其涉及能量最优的航天器连续动态避障轨迹规划方法。

背景技术

为满足日益增加的空间应用需求与在轨服务技术的深入研究，对航天器的轨迹规划、控制问题提出新的要求。就动力学与控制研究而言，航天器相对运动(主要研究以目标航天器为参考系的轨道、机动与控制)相对于经典轨道运动(主要研究的是航天器绕地的运动轨迹与规律)影响因素更多、状态变化更大、优化要求更高，因而轨迹规划与控制在航天器相对运动研究中占据重要地位。

在轨迹规划任务中，需将空间障碍、测控条件等外部因素以及燃料消耗、机动时间、操作测量器件安全工作范围等特定需求作为轨迹安全与最优规划的约束条件。然而，传统轨迹规划任务通常以脉冲规划为主，无法满足近距离转移任务对控制精度、燃料消耗以及动态避障的要求。

发明内容

本发明提供了能量最优的航天器连续动态避障轨迹规划方法，在相对运动方程和有限时间的能量最优模型基础上，建立了相对运动能量最优模型，确定动态避障点方向和长度，使得动态避障轨迹满足最优性、可靠性、有效性以及准确性，减少航天器转移过程的燃料消耗。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

能量最优的航天器连续动态避障轨迹规划方法，包括：

S1、以目标航天器为原点设立相对运动坐标系，在相对运动坐标系中建立追踪航天器的运动动力学模型；

S2、将有限时间能量最优的性能指标引入运动动力学模型，结合线性相对运动构建得到追踪航天器的相对轨道运动模型；

S3、在相对轨道运动模型上标记追踪航天器的初始状态和期望状态，连接得到追踪航天器的初始原轨迹，将初始原轨迹标记为追踪航天器的当前运动轨迹；

S4、根据动态障碍物的位置和当前运动轨迹之间的关系，判断追踪航天器是否需要避障，无需避障则将当前运动轨迹标记为连续动态避障轨迹并输出，需要避障则求解追踪航天器和动态障碍物之间的最小安全距离；

S5、根据避障规则对追踪航天器进行避障，调整追踪航天器的当前运动轨迹，循环执行S4-S5。

进一步的，在S2中，相对轨道运动模型的构建方法包括：

根据运动动力学模型得到追踪航天器的状态向量和轨道加速度表达式，结合线性相对运动方程，得到运动模型；

根据轨道加速度建立有限时间能量最优的性能指标，将有限时间能量最优的性能指标带入哈密顿函数、正则方程、状态方程以及控制方程，融合得到边界条件，将边界条件带入运动模型，得到相对轨道运动模型。

进一步的，在S4中，判断追踪航天器是否需要避障的判断规则为：

根据线性相对运动方程构建动态障碍物在相对运动坐标系中的运动轨迹；

根据动态障碍物运动轨迹中的误差项，得到动态障碍物的轨迹偏移，将动态障碍物的实际包络半径和动态障碍物的轨迹偏移绝对值的和记为实时障碍物半径；