[发明专利]一种引力波探测航天器姿态自主规划方法

说明书

本发明公开的一种引力波探测航天器姿态自主规划方法，属于航空航天技术领域。本发明实现方法为：根据引力波探测任务的轨道与姿态强耦合特性，构建带有终端状态强非线性约束的时间最省姿态规划问题；在该问题中，应用曲线拟合技术将终端状态约束拟合为时间与四元数的多项式函数；通过引入增广变量将该问题转化为带有矩阵约束的QCQP问题；使用半正定约束对该矩阵约束进行松弛，在性能指标中额外引入惩罚项对该约束的松弛程度进行最小化，得到一个近似凸优化问题；通过迭代求解该问题，获得原问题的最优姿态机动序列。本发明能够在保证建模真实、求解鲁棒的前提下，提高姿态规划效率，解决引力波探测任务姿态规划应用相关技术问题。

技术领域

本发明涉及一种航天器姿态自主规划方法，尤其涉及适用于引力波探测任务航天器姿态自主规划方法，属于航空航天技术领域。

背景技术

姿态规划是实现引力波探测的关键技术，在引力波探测任务中具有重要的应用价值。由于引力波探测任务要求三颗器航天器建立满足等边三角形构型的长期稳定轨道构型并使航天器姿态与位置满足强耦合性关系，引力波探测航天器的姿态规划问题呈强非线性特征。一方面，如何求解该问题，获得时间最优的姿态机动序列是引力波探测航天器姿态规划需要解决的难点；另一方面，引力波探测任务区域距地球约10⁷km，与地面通信存在200s的时间延迟，这要求航天器具备自主姿态规划的能力，对姿态规划方法的鲁棒性和计算效率要求较高，如何实现提高姿态规划的鲁棒性和计算效率也是需要解决的关键问题。引力波探测任务的姿态规划是当前科研人员关注的热点问题之一。

在已发展的姿态规划方法中，在先技术[1](Z.Wang,R.Xu,Rapid Search Methodfor A Spacecraft Attitude Maneuver Path with Multiple Constraints,AerospaceScience and Technology,2021)，针对姿态规划问题提出了随机分叉树(RRT)方法，通过在给定的初始状态与初始时刻下对姿态控制律进行随机规划，逐层筛选可行的姿态规划序列。该方法的优点是鲁棒性较高，计算效率较快，但无法优化性能指标，无法控制姿态机动结束时间的取值范围，难以适用于引力波探测任务。

在先技术[2]R.Dai,C.Sun,Path Planning of Spatial Rigid Motion withConstrained Attitude,Journal of Guidance,Control,and Dynamics,2015)，将姿态规划问题建立为了一个非线性规划问题，并通过变量代换将其转化为了一个二次约束二次规划问题(QCQP)。通过使用一组半正定规划问题近似该QCQP实现问题的凸化，应用凸优化方法序列求解该问题。该方法能够建立较为真实的姿态规划模型，可以优化性能指标并约束终端时间的取值。然而，该方法计算效率低，算法效率对迭代计算的鲁棒性差，受初始猜测的敏感性大，难以适用于对鲁棒性要求较高的引力波探测任务。

发明内容

为解决现有方法进行引力波探测航天器姿态规划中难以兼顾效率与鲁棒性的问题，本发明的主要目的是提供一种引力波探测航天器姿态自主规划方法，实现引力波探测任务中航天器自主姿态规划，在保证建模真实、求解鲁棒的前提下，提高姿态规划效率，解决引力波探测任务姿态规划应用相关技术问题。所述相关技术问题包括实现引力波探测任务姿态控制实时跟踪与滚动优化。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：