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原文传递基于多等碰撞概率线法的凸多边形航天器安全控制方法

专利名称：	基于多等碰撞概率线法的凸多边形航天器安全控制方法
摘要：	本发明公开了一种基于多等碰撞概率线法的凸多边形航天器安全控制方法。该方法用于实现目标航天器和跟踪航天器的安全接近控制，包括步骤：建立目标航天器的轨道坐标系；建立跟踪航天器与目标航天器的相对动力学方程；进行相对动力学方程的不确定性传播分析以推导不确定性的协方差矩阵；确定目标航天器中产生作用的作用模块；利用等碰撞概率线法建立多等碰撞概率线法以计算基于作用模块产生的施加于跟踪航天器的避障控制力；确定多等碰撞概率线法的参数的取值范围；确定最终作用于跟踪航天器上的总控制力。本发明的基于多等碰撞概率线法的凸多边形航天器安全控制方法，能够解决目标航天器为凸多边形情况下的跟踪航天器的安全接近控制问题。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	北京;11
申请人：	中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院
发明人：	朱效洲;曹璐;姚雯;陈小前;王祎
专利状态：	有效
申请日期：	2019-08-21T00:00:00+0800
发布日期：	2019-11-19T00:00:00+0800
申请号：	CN201910773644.7
公开号：	CN110466808A
代理机构：	北京奥文知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：	张文;苗丽娟
分类号：	B64G3/00(2006.01);B;B64;B64G;B64G3
申请人地址：	100071 北京市丰台区东大街53号
主权项：	1.一种基于多等碰撞概率线法的凸多边形航天器安全控制方法，其特征在于，所述方法用于实现目标航天器和跟踪航天器的安全接近控制，所述方法包括如下步骤： 1)建立目标航天器的轨道坐标系； 2)在所述目标航天器的轨道坐标系下，建立跟踪航天器与所述目标航天器的相对动力学方程； 3)进行所述相对动力学方程的不确定性传播分析，采用线性协方差方法推导不确定性的协方差矩阵； 4)将所述目标航天器的几何外形分解为一个最大内包络圆和若干个任意形状部分，分别设定所述最大内包络圆和每个所述任意形状部分的外包络圆为一个作用模块，根据所述跟踪航天器与所述目标航天器的相对位置，确定多个所述作用模块中产生作用的作用模块； 5)利用等碰撞概率线法建立多等碰撞概率线法以计算基于所述作用模块产生的施加于所述跟踪航天器的避障控制力； 6)对所述避障控制力进行分析，确定所述多等碰撞概率线法的参数的取值范围，以使所述跟踪航天器与所述目标航天器不会发生碰撞； 7)确定最终作用于所述跟踪航天器上的总控制力。 2.根据权利要求1所述的基于多等碰撞概率线法的凸多边形航天器安全控制方法，其特征在于，建立目标航天器的轨道坐标系包括：采用o-xyz表示所述目标航天器的轨道坐标系，以所述目标航天器的质心为坐标原点o，x轴由地球地心指向所述目标航天器的质心，z轴指向所述目标航天器的轨道面法线方向，y轴垂直于所述x轴和所述z轴所组成的平面，所述y轴与所述x轴、所述z轴构成右手直角坐标系。 3.根据权利要求2所述的基于多等碰撞概率线法的凸多边形航天器安全控制方法，其特征在于，所述相对动力学方程如式1所示；其中，r1-t＝[xt,yt]T和v1-t＝[vx,vy]T表示在所述目标航天器的轨道坐标系下所述跟踪航天器在t时刻的相对位置和相对速度，u1-t＝[ux,uy]T表示所述跟踪航天器在t时刻的控制输入，μ表示地球引力常数，a和n分别表示所述目标航天器的轨道半长轴和平均角速度；假设状态矢量式1改写为：其中，A表示状态转移矩阵，B表示控制矩阵， 4.根据权利要求3所述的基于多等碰撞概率线法的凸多边形航天器安全控制方法，其特征在于，采用线性协方差方法推导不确定性的协方差矩阵，包括：利用式5计算所述状态矢量X的解析解；其中，t0表示初始时间，X0表示与t0对应的状态矢量初始值，Φ(t,t0)表示状态矩阵且满足式6； Φrr(t,t0)、Φrv(t,t0)、Φvr(t,t0)和Φvv(t,t0)满足式7；利用式8和式9计算所述状态矢量X的不确定性协方差矩阵； δX＝X(t)-Ε(X(t)) (8) 其中，N表示所述跟踪航天器所施加的控制脉冲的数量，和分别表示在所述目标航天器的轨道坐标系下的初始导航不确定性和控制不确定性的协方差矩阵，CδX表示所述状态矢量的不确定性协方差矩阵，Ε(X(t))表示所述状态矢量的平均值，δX为状态矢量偏差，E(δX)为所述状态矢量偏差的平均值。 5.根据权利要求4所述的基于多等碰撞概率线法的凸多边形航天器安全控制方法，其特征在于，基于所述目标航天器的轨道坐标系，根据所述跟踪航天器所处位置，将所述目标航天器划分为如式10所示的5个作用模块；其中，[x,y]表示所述跟踪航天器在所述目标航天器的轨道坐标系下的相对位置坐标。 6.根据权利要求5所述的基于多等碰撞概率线法的凸多边形航天器安全控制方法，其特征在于，根据所述跟踪航天器的最终时刻的相对位置的不同，对施加于所述跟踪航天器的避障控制力进行分类分析。 7.根据权利要求6所述的基于多等碰撞概率线法的凸多边形航天器安全控制方法，其特征在于，设定所述跟踪航天器的最终时刻的相对位置为rep＝[xep yep]T；当xep＝0oryep＝0时，施加于所述跟踪航天器的避障控制力如式48所示；其中，F50-repel+Fh0-repel,h＝1,2,3,4表示当所述跟踪航天器位于h＝1,2,3或4所对应的区域时，施加于所述跟踪航天器的避障控制力为F50-repel+Fh0-repel，F50-repel,h＝5表示当所述跟踪航天器位于h＝5所对应的区域时，施加于所述跟踪航天器的避障控制力为F50-repel。 8.根据权利要求7所述的基于多等碰撞概率线法的凸多边形航天器安全控制方法，其特征在于，当xep≠0andyep≠0时，根据相对位置rep＝[xep yep]T建立两个坐标系统O1-ix1-iy1-i(i＝1,2)，并根据相对位置rep＝[xep yep]T的不同分为如式49所示的四个情况进行避障控制力分析；施加于所述跟踪航天器的避障控制力如式59所示；其中，F50-repel+Fh1-repel+Fh2-repel,h＝h1表示当所述跟踪航天器位于h＝h1所对应的区域时，施加于所述跟踪航天器的避障控制力为F50-repel+Fh1-repel+Fh2-repel，F50-repel+Fh0-repel,h＝1,2,3,4&h≠h1表示当所述跟踪航天器位于h＝1,2,3,4&h≠h1所对应的区域时，施加于所述跟踪航天器的避障控制力为F50-repel+Fh0-repel，F50-repel,h＝5表示当所述跟踪航天器位于h＝5所对应的区域时，施加于所述跟踪航天器的避障控制力为F50-repel。 9.根据权利要求8所述的基于多等碰撞概率线法的凸多边形航天器安全控制方法，其特征在于，根据式70所示条件，确定所述多等碰撞概率线法的参数的取值范围，以使所述跟踪航天器与所述目标航天器不会发生碰撞；其中，R50、Ri0(i＝1,2,3,4)和Rij(i＝1,2,3,4,j＝0,1,2)表示相对应的作用模块的最小外包络圆的半径，ζ50、ζi0(i＝1,2,3,4)和ζij(i＝1,2,3,4,j＝0,1,2)表示相对应的作用模块的最小外包络圆的圆心到跟踪航天器的最短距离。 10.根据权利要求9所述的基于多等碰撞概率线法的凸多边形航天器安全控制方法，其特征在于，作用于所述跟踪航天器的总控制力利用式81计算；其中，uTotal表示作用于所述跟踪航天器的总控制力，表示最优控制，Frepel表示所述避障控制力，m表示所述跟踪航天器的质量。
所属类别：	发明专利