[发明专利]一种基于模型预测控制的混合帆平动点轨道保持方法

说明书

本发明公开了一种基于模型预测控制的混合帆平动点轨道保持方法，包括：在地月系统旋转坐标系下，建立地月系统中混合帆平动点轨道运动的相对运动动力学方程；建立地月系统中混合帆平动点轨道的姿态运动运动学方程和姿态运动动力学方程；建立反射率控制装置的控制力模型和控制力矩模型，并提取控制力模型和控制力矩模型的控制变量；基于建立的混合帆平动点轨道运动的相对运动动力学方程、混合帆平动点轨道的姿态运动运动学方程和姿态运动动力学方程，利用模型预测控制方法，优化反射率控制装置的控制力模型和控制力矩模型的控制变量，使混合帆电推进系统的燃料消耗最低。本发明能够降低混合帆电推进系统的燃料消耗，增长混合帆电推进系统工作寿命。

技术领域

本发明属于航天器飞行动力学与控制领域，具体涉及一种基于模型预测控制的混合帆平动点轨道保持方法。

背景技术

太阳帆航天器的优势在于利用太阳光压产生推进加速度，具有无工质特点，特别适合于深空探测等任务。近年来，随着新一轮的探月高潮，如何利用太阳帆航天器的优势为地月空间开发服务成为热点课题之一。

由于平动点轨道的不稳定性，太阳帆航天器需要主动轨道保持控制，实现长时间运行在任务轨道附近。太阳帆航天器的可控性较差，需要电推进系统的辅助才能完成复杂的空间任务，太阳帆航天器与电推进系统的结合即为混合帆航天器。混合帆航天器可以解决太阳帆航天器不能提供指向日心方向的推进力分量的问题，但是增加了电推进系统的燃料消耗。因此，相比于太阳帆航天器，混合帆航天器工作寿命有限。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种基于模型预测控制的混合帆平动点轨道保持方法，能够降低混合帆电推进系统的燃料消耗，增长混合帆电推进系统工作寿命。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种基于模型预测控制的混合帆平动点轨道保持方法，包括：

在地月系统旋转坐标系下，建立地月系统中混合帆平动点轨道运动的相对运动动力学方程；

建立地月系统中混合帆平动点轨道的姿态运动运动学方程和姿态运动动力学方程；

建立反射率控制装置的控制力模型和控制力矩模型，并提取控制力模型和控制力矩模型的控制变量；

基于建立的混合帆平动点轨道运动的相对运动动力学方程、混合帆平动点轨道的姿态运动运动学方程和姿态运动动力学方程，利用模型预测控制方法，优化反射率控制装置的控制力模型和控制力矩模型的控制变量，使混合帆电推进系统的燃料消耗最低。

进一步地，所述建立地月系统中混合帆平动点轨道运动的相对运动动力学方程，具体如下：

定义：r_ref＝[x_ref y_ref z_ref]^T表示参考轨迹，δr＝[δx δy δz]^T表示受控轨迹r_c与参考轨迹r_ref之间的相对位置矢量，r_c＝r_ref+δr；

混合帆平动点轨道运动的相对运动动力学方程为：

其中，μ为地月系统质量参数；a＝[a_x a_y a_z]^T为混合帆的控制加速度；

进一步地，所述建立地月系统中混合帆平动点轨道的姿态运动运动学方程和姿态运动动力学方程，具体如下：

混合帆平动点轨道的姿态运动运动学方程为：