[发明专利]一种基于零空间方法的非合作目标自主交会策略

摘要

本发明公开了一种基于零空间方法的非合作目标自主交会策略，针对非合作目标在轨服务任务，首先对自主交会过程进行任务分析，将整个交会过程分为非合作目标对接抓捕点跟踪任务和碰撞规避任务，对上述两种任务进行优先级排序，并对每种基本任务所对应的零空间进行求解，最后再根据零空间方法对这两种任务进行综合，将低优先级任务投影到高优先级任务的零空间，从而保证了交会轨迹的安全性。本发明所提供的基于零空间方法的自主交会策略是一种分层递阶控制的方法，它能够确保高优先级任务最先得到完成，从而避免不同优先级任务之间发生冲突。基于零空间方法的非合作目标自主交会策略能够同时实现对非合作目标对接抓捕点的跟踪以及碰撞规避要求。

主权项

1.一种基于零空间方法的非合作目标自主交会策略，其特征在于，首先对自主交会过程进行任务分析，将整个交会过程为非合作目标对接抓捕点跟踪任务和碰撞规避任务，对所述非合作目标对接抓捕点跟踪任务和碰撞规避任务进行优先级排序，并对每种基本任务所对应的零空间进行求解，最后再根据零空间方法对所述非合作目标对接抓捕点跟踪任务和碰撞规避任务进行综合，将低优先级任务投影到高优先级任务的零空间，从而保证了交会轨迹的安全性，具体包括以下步骤：/nS1、对空间非合作目标的翻滚运动进行建模，确定翻滚过程中抓捕对接点的运动规律，所述非合作目标的翻滚运动可以通过姿态运动方程描述如下：/n /n /n /n其中，J_t表示非合作目标的惯量张量，ω_t表示非合作目标本体系相对于惯性坐标系的角速度矢量，表示非合作目标本体坐标系相对于惯性坐标系的姿态四元数，τ表示外界扰动力矩；/nS2、对步骤S1所述非合作目标自主交会任务进行分解，并分别对所有基本任务进行分析描述，所述非合作目标自主交会任务包括碰撞规避任务和非合作目标对接抓捕点跟踪任务；/n所述碰撞规避任务为服务航天器和非合作目标之间的距离：/nm₁＝min{||ρ-ρ_o||-d,0}/n其中，m₁为碰撞规避任务中的可控变量，ρ表示当前服务航天器的位置矢量，ρ_o表示非合作目标的位置矢量，d表示交会过程中所设定的服务航天器和非合作目标之间的安全距离；/n所述对接抓捕点跟踪任务为：/nm₂＝ρ/n其中，m₂表示对对接抓捕点跟踪任务中的可控变量；/nS3、对所述基本任务进行优先级排序，同时对其零空间进行求解；/nS4、对步骤S3所述基本任务的速度输出进行求解，并对整个自主交会任务的速度输出进行综合，得到整个任务的速度输出，根据零空间方法，对所述碰撞规避任务和对接抓捕点跟踪任务的输出v进行综合如下：/n /n其中，v₁为碰撞规避任务的速度输出，v₂为对接抓捕点任务的速度输出，v表示任务综合后的最终速度输出；/nS5、基于零空间方法生成自主交会轨迹，并进行仿真分析与验证，具体为：/n进行积分求解获得最终的安全交会轨迹如下：/n /n在数值求解过程中对上述积分进行离散化，得到如下：/nρ_safe(t_k)＝ρ_safe(t_k-1)+v(t_k)Δt/n其中t_k表示第k个采样时间，ρ_safe(t_k)表示t_k时刻由零空间方法得到的安全位置矢量，Δt表示采样周期；/n假设非合作目标的惯量矩阵为：/nJ_t＝diag(10,15,10)kg/m²/n其中，初始角速度为ω_t＝[0.4,0.5,0.8]^Trad/s，初始的姿态四元数为q(0)＝[1,0,0,0]^T，假定非合作目标位于圆轨道上轨道半径为r＝7178160(m)，轨道倾角i、经地点幅角Ω、以及纬度幅角都取为0rad，同时服务航天器相对于目标的初始位置设置为ρ(0)＝[15；8；5](m)，交会过程中的安全距离d＝2(m)，对抓捕点在目标本体坐标系中的位置矢量为r_d＝[0,0,-2]^T(m)，任务增益λ₁和λ₂都取为0.8。/n