[发明专利]一种棱锥型离轨帆的构形构建与姿态控制方法

说明书

本发明公开的一种棱锥型离轨帆的构形构建与姿态控制方法，属于航天器姿态动力学与控制领域。本发明实现方法为：考虑大气阻力和地球形状的环境摄动，建立基于位置矢量和四元数描述的三维轨道姿态耦合动力学模型，其中，将离轨帆视为刚体，航天器本体视为质点，迎风面积考虑气流遮挡情况，提高动力学模型精度；并基于所述模型得到不同情况下航天器姿态稳定性和离轨效率关于棱锥型离轨帆锥角和支撑杆杆长的规律，基于所述规律分析优化棱锥型离轨帆系统构形参数，得到姿态稳定性高和离轨效率高的棱锥型离轨帆；基于上述模型和选择的构形参数，设计四元数反馈重定位PID控制律，实现配置离轨帆的航天器相对于速度方向姿态稳定，提高离轨效率。

技术领域

本发明涉及一种棱锥型离轨帆的构形构建与姿态控制方法，涉及一种面向配置在航天器上的棱锥型离轨帆的稳定性分析和姿态控制方法，属于航天器姿态动力学与控制领域。

背景技术

为了减少空间碎片的产生，航天器在寿命末期或完成任务后进行主动离轨被认为是一项必要的清除措施。在低地球轨道，尤其是800km以下区域，大气阻力对航天器影响显著，因此可以采用离轨帆装置增大航天器的迎风面积，实现快速离轨。目前，进行样机研制和在轨试验的离轨帆多为平面型离轨帆，立体型离轨帆的理论研究中也少有提出使离轨效率最高的最优构型构建方法。

与平面型离轨帆相比，棱锥型离轨帆有很多优点，例如，不管姿态如何改变，帆面在垂直速度方向的投影面积都大于零，保证了离轨的有效性。本发明针对棱锥型离轨帆，考虑大气阻力和地球形状的环境摄动和气流遮挡对帆面迎风面积的影响，建立离轨帆系统动力学模型，描述离轨帆系统离轨过程的运动规律；基于该模型，分析离轨帆的构形参数锥角、支撑杆杆长对航天器姿态稳定性和离轨效率的影响规律，基于所述规律分析优化棱锥型离轨帆系统构形参数，得到姿态稳定性高和离轨效率高的棱锥型离轨帆；基于上述模型和选择的构形参数，设计四元数反馈重定位PID控制律，实现了离轨帆航天器相对于速度方向姿态稳定，进一步提高离轨效率。

发明内容

为了解决用于航天器在寿命末期或完成任务后离轨的棱锥型离轨帆离轨效率无法满足使用需求的问题，本发明的目的之一是提供一种棱锥型离轨帆的构形构建方法，基于位置矢量和四元数描述建立棱锥型离轨帆系统三维轨道姿态耦合动力学模型，在所述棱锥型离轨帆系统三维轨道姿态耦合动力学模型中考虑气流遮挡情况时帆面迎风面积对棱锥型离轨帆受到的大气阻力影响，进而考虑气流遮挡情况时的帆面迎风面积对棱锥型离轨帆轨道和姿态的影响，提高所述棱锥型离轨帆系统三维轨道姿态耦合动力学模型精度，并基于所述模型得到不同情况下姿态稳定性和离轨效率关于锥角和杆长的规律，基于所述规律分析优化棱锥型离轨帆系统构形参数，得到姿态稳定性高和离轨效率高的棱锥型离轨帆，进而提高航天器姿态稳定性和离轨效率。

在本发明提供的一种棱锥型离轨帆的构形构建方法基础上，本发明还提供一种棱锥型离轨帆的姿态控制方法，基于一种棱锥型离轨帆的构形构建方法得到得到姿态稳定性高和离轨效率高的棱锥型离轨帆，根据优化后的棱锥型离轨帆的构形参数设计四元数反馈重定位控制律，在四元数反馈重定位控制律中考虑速度坐标系相对于本体坐标系的转换，形成离轨帆系统的四元数反馈重定位PID控制律，使得离轨帆系统的姿态相对于速度方向稳定，实现离轨过程中棱锥型离轨帆的迎风面积保持最大，受到的大气阻力保持最大，进一步缩短航天器离轨时间，提高航天器离轨效率。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

本发明公开的一种棱锥型离轨帆的构形构建与姿态控制方法，考虑大气阻力和地球形状的环境摄动，建立基于位置矢量和四元数描述的三维轨道姿态耦合动力学模型，其中，将离轨帆视为刚体，航天器本体视为质点，迎风面积考虑气流遮挡情况，提高所述棱锥型离轨帆系统三维轨道姿态耦合动力学模型精度；并基于所述模型得到不同情况下航天器姿态稳定性和离轨效率关于棱锥型离轨帆锥角和支撑杆杆长的规律，基于所述规律分析优化棱锥型离轨帆系统构形参数，得到姿态稳定性高和离轨效率高的棱锥型离轨帆，进而提高航天器姿态稳定性和离轨效率；基于上述模型和选择的构形参数，设计四元数反馈重定位PID控制律，实现了配置离轨帆的航天器相对于速度方向姿态稳定，进一步提高离轨效率。