[发明专利]双体小行星悬停探测自适应控制方法

说明书

本发明公开的双体小行星悬停探测自适应控制方法，属于深空探测控制技术领域。本发明通过选择轨道初值得到探测器在平衡点附近的有界周期轨道，通过行自适应控制将探测器保持在标称悬停轨道附近能有效减少探测器在长时间悬停过程中的燃料消耗；在线性二次最优控制的基础上对权重矩阵进行动态选取，在初始时刻，探测器距离标称位置存在较大位置误差，此时控制器输出较大控制力使探测器尽快到达目标位置；在到达标称悬停轨道附近时，控制器仅需提供较小的控制力实现探测器的轨道保持运动，进而进一步减少探测器的燃料消耗。本发明对平衡点附近标称悬停轨道与探测器的状态之间的位置误差进行模糊化处理，通过权重选取提高探测器自适应能力。

技术领域

本发明涉及一种双体小行星悬停探测自适应控制方法，属于深空探测控制技术领域。

背景技术

小行星因其包含了太阳系起源、行星演化等方面的重要信息，以及其可能蕴藏的丰富矿藏资源和潜在的对地球撞击的威胁，已经成为21世纪国际深空探测活动的重点目标。随着我国深空探测持续不断向前推进，开展对具有独特科学价值的小行星的探测已经成为深空探测技术发展的必然趋势。双小行星系统是众多小行星类群中的一种特殊形式，是指两颗小行星围绕其共同的质心旋转，同时两者的质心围绕太阳做公转运动。研究表明双小行星系统是太阳系中十分普遍的物理现象，大约有16％的近地小行星和主带小行星属于双小行星系统。对两颗小行星构成的双小行星系统进行探测具有多种探测单颗小行星所不具备地独特科学价值。

类似于限制性三体问题，双体小行星附近存在五个平衡点，在平衡点处探测器受到的引力和离心力相等，相对于小行星固连坐标系下任意位置的悬停探测，探测器有望在平衡点处实现长时间、低消耗的悬停保持。由于双体小行星动力学环境极其复杂，在不施加控制的情况下探测器的位置并不是在平衡点处保持不变，而是在平衡点附近运动甚至逐渐偏离平衡点；除此之外探测器在双体小行星附近还受到太阳光压扰动，大大增加了探测器悬停控制的难度。

发明内容

由于双体小行星动力学环境及其复杂且深空环境中存在多种扰动，导致探测器在长时间悬停过程中会存在的燃料消耗过大的问题。本发明的目的是提供一种双体小行星悬停探测自适应控制方法，通过设置轨道初值，优化探测器在平衡点附近的标称悬停轨道；在线性二次最优控制的基础上，对权重矩阵进行自适应动态选取，满足悬停轨道的保持过程不同阶段的权重矩阵动态选取策略，使探测器快速接近标称悬停轨道并在之后以较小的控制力保持在标称轨道上，通过自适应控制减少探测器在复杂环境中长时间悬停的燃料消耗。

本发明是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种双体小行星悬停探测自适应控制方法，建立双体小行星引力场模型与探测器运动方程。将双体小行星系统建立为球体-椭球体模型，使用椭球体最大半长轴对距离进行归一化，使用球谐函数分别计算两颗小行星的引力势，并在两颗小行星合坐标系中建立探测器在双体小行星附近运动的标量方程；选择L1平衡点作为悬停位置使探测器能够同时对两颗小行星进行近距离观测，忽略双体小行星附近运动的标量方程的高阶项和扰动，通过设置轨道初值，计算探测器在平衡点附近运动的解析解，得到探测器平衡点附近标称悬停轨道。为减少探测器在轨道悬停过程中的燃料消耗，使用线性二次最优控制优化探测器的输出控制力，构建由权重矩阵Q与R表征的燃料消耗性能指标；在悬停轨道的保持过程的不同阶段，在线性二次最优控制的基础上确定权重矩阵动态选取原则，对于Q矩阵取为单位矩阵，R矩阵根据悬停阶段动态选取：在探测器接近标称轨道阶段，控制矩阵R所占权重较小，在轨道保持阶段，控制矩阵R所占权重较大；对平衡点附近标称悬停轨道与探测器的状态之间的位置误差进行模糊化处理，建立用于确定航天器控制矩阵R中各元素取值的模糊规则，使用加权平均法对控制矩阵的模糊输出进行反模糊化计算，使R矩阵各元素取值随探测器状态误差动态选取，以满足悬停轨道的保持过程不同阶段的权重矩阵动态选取策略，适应不同阶段悬停轨道的保持过程要求；根据得到的动态控制矩阵R，使用线性二次最优控制计算最优输出控制力，在不同阶段通过自适应控制减少探测器在复杂环境中长时间悬停的燃料消耗。

本发明公开的一种双体小行星悬停探测自适应控制方法，包括如下步骤：