[发明专利]基于椭球体描述的航天器避障控制方法

说明书

本发明公开了一种基于椭球体描述的航天器避障控制方法。该方法用于实现目标航天器和跟踪航天器的自主避障，包括步骤：建立坐标系、建立相对动力学方程、确定障碍物和跟踪航天器的最短距离、建立人工势函数、计算吸引控制力、计算排斥控制力和计算总控制力。本发明的基于椭球体描述的航天器避障控制方法采用椭球体描述航天器与障碍物外形，能够提升建模精度以提高航天器控制精度；同时，通过运用Sigmoid函数设计斥力势函数以生成避障控制力，通过运用状态依赖黎卡提方程设计吸引势函数以生成吸引控制力，利用终端滑模控制理论完成相应控制器的一体化设计，能够实现航天器的快速避障控制，控制精度高，燃料消耗率低，能适用于航天器的在轨实时运行。

技术领域

本发明涉及航天器运动控制技术领域，具体涉及一种基于椭球体描述的航天器避障控制方法。

背景技术

近年来，航天器在轨失效事件日渐增多，为了降低在轨失效事件发生的概率，延长航天器工作年限，提高工作性能，越来越多的在轨服务被应用于航天器，而航天器近距离操作作为一项支撑在轨服务的基本技术，航天器近距离操作需满足严格的安全性要求。

随着人类太空活动的增加，太空环境正在恶化，越来越多的空间碎片、航天飞机垃圾和失败航天器成为航天器空间交会和操作的致命障碍。为此，航天器在空间中作业时，需要对航天器进行严格控制，以保证航天器能够避开障碍物，实现无碰撞交会和操作。

目前，主要采用两种方法来实现航天器的避障控制；第一是以球体对障碍物进行外包络描述，将航天器躲避障碍物的控制问题转化为多路径约束的优化问题，再采用最优理论进行求解。例如采用混合线性规划理论对预测控制算法进行改进，得到一种解决燃料消耗的航天器避障策略；在此基础上，讨论基于连续二次规划方法来求解自主交会最优控制的非线性约束，并考虑路径规划算法来设计燃料最优的安全轨迹，实现避障路径的优化目标。第二是利用人工势函数开展避撞控制设计，以球体对障碍物进行外包络描述，通过设计代价函数使目标函数进行最小化设计实现航天器的自主避障控制。

发明人发现现有技术至少存在以下问题：

基于最优理论的航天器避撞控制方法无法有效保障控制结果对避障目标的安全性，并且采用最优理论进行避障控制设计，计算复杂度高，不适于航天器的在轨实时运行；利用人工势函数的避障控制方法，虽然计算量小，但无法采用优化策略，导致控制策略的能量消耗无法实现最优，航天器的燃料消耗较大；并且现有方法采用简单球体对障碍物进行外包络描述，描述精度较差，导致控制误差较大。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于椭球体描述的航天器避障控制方法。

为此，本发明公开了一种基于椭球体描述的航天器避障控制方法，所述方法用于实现服务航天器的自主避障，服务航天器包括目标航天器和跟踪航天器，所述方法包括如下内容：

建立坐标系：建立历元J2000地球惯性坐标系，并在地球惯性坐标系的基础上建立目标航天器的轨道坐标系；

建立相对动力学方程：在轨道坐标系下，建立跟踪航天器和目标航天器的相对运动方程，确定跟踪航天器的状态矢量，获取目标航天器与跟踪航天器的相对动力学方程；

确定障碍物和跟踪航天器的最短距离：采用椭球体对障碍物和跟踪航天器的外包络进行描述，确定障碍物和跟踪航天器的外包络椭球体的结构方程，基于椭球体的结构方程确定障碍物外包络椭球体与跟踪航天器外包络椭球体间的最短欧式距离；

建立人工势函数：基于椭球体的结构方程，建立包括引力势函数和斥力势函数的人工势函数；

计算吸引控制力：利用状态依赖黎卡提方程和终端滑膜控制理论计算确定吸引控制力；

计算排斥控制力：对斥力势函数进行求导处理，计算确定排斥控制力；