[发明专利]一种基于Tau理论的组合体消旋与再定向轨迹规划方法

摘要

本发明提供了一种基于Tau理论的组合体消旋与再定向轨迹规划方法，属于航天器姿态动力学领域，针对高面质比航天器在轨运行时会受到多种摄动因素影响的特点，分别对姿态消旋和姿态再定向两个过程进行分析，然后基于Tau理论对这两个过程分别进行轨迹规划，以力矩输出构造目标函数，对消旋过程中的力矩输出进行优化。本发明所提供的方法是一种仿生学方法，它是对自然界的动物在经过成千上万年不断优化所形成的本能运动的归纳和总结，具备一定的最优性。同时该方法不仅能够用于航天器的消旋和再定向过程，还可以用于航天器的交会制导过程中。

主权项

1.一种基于Tau理论的组合体消旋与再定向轨迹规划方法，其特征在于包括下述步骤：步骤一，当服务航天器成功抓捕空间非合作目标后，两者构成一个整体，假设抓捕后两者之间不存在相对运动，视为一个统一的刚体，由于初始时刻组合体在空间自由翻滚，由角动量守恒定理可得：式中表示初始时刻组合体的角动量矢量，表示初始时刻角动量在惯性系中的三个分量，通过服务航天器上的测量装置得到；角动量间隔的变化表示为式中分别表示角动量沿惯性坐标系x,y,z轴方向的三个分量随时间t的变化函数，T_g表示规定的消旋时间，k_xg,k_yg,k_zg分别表示沿三个分量方向的耦合因子，取值范围为(0,1)；计算控制力矩沿惯性坐标系x,y,z轴方向的三个分量随时间t的变化函数得到在本体坐标系中表示的控制力矩惯性坐标系到本体坐标系的转化矩阵表示组合体本体相对于惯性系的姿态四元数；步骤二，以消旋过程中的力矩输出为目标函数得到对应于能量消耗最小的耦合因子k_xg,k_yg,k_zg，在规定时间内实现姿态消旋；步骤三，通过组合体上所携带的测量装置对消旋完成后的姿态信息进行测量，组合体消旋前后的姿态转换矩阵为从初始姿态到目标姿态的旋转轴的单位矢量，θ为从初始姿态到目标姿态的总转角，式中I₃表示三阶单位矩阵，表示相对于旋转轴的斜对角矩阵；根据Tau‑g导引策略得到转角间隔的变化式中k_Cg表示转角间距的耦合因子，0＜k_Cg＜0.5；组合体相对于初始姿态的方向余弦矩阵的变化过程表示为