一种航天器在轨服务观测空间目标局部范围的时间和燃料脉冲最优遍历方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及航天器轨道控制，特别涉及一种航天器在轨服务观测空间目标局部范 围的时间和燃料脉冲最优遍历方法。
【背景技术】
[0002] 当今航天领域的一个重要研究热点就是航天器的近距离相对轨道在轨服务控制， 常被应用到编队飞行、在轨维护、交会对接、跟踪观测等空间任务。随着航天技术的逐步发 展，在轨服务空间任务的复杂程度有所提升，同时，空间操作的精细化要求也大大提高。在 对空间目标执行跟踪观测任务时，不仅仅要求对目标的整体情况有充分的了解，有时还要 求对目标的某一局部范围有多个方位的详细观测结果，如对目标特征标志的识别，对目标 老化或故障部件的外部观测等。
[0003] 航天器在轨服务期间的轨道控制的方式有连续控制和脉冲控制，连续的控制方式 在实际的工程应用中并不多，并且受限，而脉冲控制是更常用的控制方式，通过在合适的脉 冲点处施加速度脉冲以使轨道发生改变。如今运载火箭的运载能力非常有限，航天器的质 量和体积都受到了严格的限制，从而限制了航天器所能携带的燃料，因此在执行空间任务 时不得不考虑燃料消耗的问题，但又不能因为一味地减少燃料消耗，因为这样必然会导致 执行任务的时间大大增加，所以在制定空间任务方案时，需要综合考虑时间和燃料消耗这 两个重要因素。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了在综合考虑时间和燃料消耗最优的情况下，对空间目标某一 局部范围进行多方位在轨服务观测的问题，而提出了一种航天器在轨服务观测空间目标局 部范围的时间和燃料脉冲最优遍历方法。
[0005] 上述的发明目的是通过以下技术方案实现的：
[0006] 步骤一、不考虑摄动的情况下，在目标s处于圆轨道上，得到追踪航天器的相对轨 道运动模型描述成C-W方程；根据C-W方程的得到追踪航天器相对位置r (t)和相对速度 H/)的状态转移方程；
[0007] 步骤二、根据任务要求确定所要观测的局部范围中心的方向为观测中心线方向， 在与观测中心线垂直的平面内两个相互垂直的方向上各存在M°的角度的范围，将M°的 角度的范围均分为1X1个细分的网格，底面为m° Xm°的曲面，其中m° =M° /1;
[0008] 步骤三、采用螺旋形式的遍历顺序对所有细分网格进行遍历；
[0009] 步骤四、优化求解；根据螺旋形式的遍历顺序，利用追踪航天器相对位置r(t)和 相对速度的状态转移方程；将在综合遍历时间和燃料消耗情况下求解最优遍历方案的 问题转化成非线性规划问题；
[0010] 步骤五、实现脉冲控制；执行任务时，利用非线性规划问题得到的决策变量，在相 应时间间隔At 1之后，将追踪航天器的所有脉冲点上沿相对运动坐标系三个轴方向施加的 速度脉冲根据执行机构的实时情况转化成相应的速度脉冲施加给追踪航天器，从而通过脉 冲控制追踪航天器来完成整个任务。
[0011] 发明效果
[0012] 本发明采用脉冲控制的方式，基于时间一燃料最优的标准，控制追踪航天器对空 间目标局部范围内的所有细分网格进行遍历，从而实现多方位的在轨服务观测。
[0013] 对于本发明所研究的问题，需要从多个方位对目标的某一局部范围做全面观测， 所以需要追踪航天器在每个细分网格对目标的这一局部范围都有观测数据。从完成整个任 务的时间和燃料消耗尽可能少的实际需求出发，需要在时间和燃料消耗最优的情况下，控 制追踪航天器遍历所有网格。要控制追踪航天器遍历所有细分网格，而每一个网格在空间 中都是一个类似四棱台的形状，所谓遍历网格，只需让追踪航天器的轨迹至少包含每个网 格空间中的一个点即可，若直接去每个网格空间中找一个代表点，然后控制追踪航天器依 次转移到这些代表点上即能完成遍历任务，但是还要考虑总时间和燃料消耗最优的问题， 所以对这些三维坐标点进行寻优将是一个非常漫长的过程，很难找到满意的结果，因此，需 要对每个网格空间中代表点的选取进行一些简化。
[0014] 本发明的脉冲控制：发动机短时工作情况下的轨道控制，由于发动机工作的时间 比轨道飞行周期短得多，因而可以视为是脉冲作用。本发明的遍历路径规划：在满足某种性 能评价指标最优或准优的前提下，寻找到一条能够经过所有工作区域（点）的路径；
[0015] 本发明非线性规划问题：研究多元实函数在有非线性约束条件下的极值问题，包 含决策变量、目标函数和约束条件三个部分，其中决策变量即待优化的参数，目标函数即问 题所关心的目标与决策变量间的函数关系，约束条件包括线性或非线性的等式约束或不等 式约束。本发明设置在每个网格空间的中心线上选取代表点作为遍历点，这样将三维空间 找点的过程简化到一维，然后只在这些遍历点上施加速度脉冲控制，从而使追踪航天器依 次转移到这些遍历点上，完成对目标局部范围多方位的观测任务。
[0016] 目前常用的相对轨道运动形式有悬停（追踪航天器与目标保持相对位置始终不 变）、伴随飞行（追踪航天器围绕目标附近某点进行封闭轨迹飞行）和绕飞（伴随飞行的一 种特殊情况，封闭轨迹的中心是目标质心）等，但是针对本发明专利所研究的如何控制追 踪航天器对空间目标局部范围做多方位观测的问题，悬停的形式无法进行多方位观测，绕 飞的形式针对的是全局观测，而用伴随飞行的形式来解决本发明专利研究的问题时，一条 封闭轨迹可能无法包含目标局部范围内的所有网格，在考虑时间一燃料最优的情况下通过 变轨来切换多条封闭轨迹就势必会出现设计参数困难的问题。
[0017] 关于卫星遍历这个方面的研究，现在主要考虑的是应用在卫星接近星座中多颗卫 星的场合，一些无需变轨而与多颗卫星交会的方法中，这些卫星之间需要存在特殊的相位 关系，如相位同构星座，因此存在一定的局限性，而且这些方法所研究的都是遍历惯性坐标 系中与时间有关的位置点，而本发明所研究的是遍历相对坐标系中的空间网格，只需整个 遍历轨迹至少包含每个网格空间中的一个点即可，因此可以设计和优化的空间更大。
[0018] 本发明在基于时间一燃料最优这个标准对遍历方案进行优化时，合理地简化为在 每个细分网格的中心线上选取遍历点，这样就将三维空间找点的过程简化到一维，然后只 需依次在这些遍历点上施加脉冲控制。整个问题转化为对遍历点位置和脉冲间隔时间优化 的非线性规划问题，使用MATLAB中的fmincon函数就可以方便求解。
【附图说明】
[0019] 图1为【具体实施方式】二提出的相对运动坐标系与地心惯性坐标系的关系图
[0020] 图2为【具体实施方式】二提出的观测坐标系与观测范围示意图；
[0021] 图3(a)为【具体实施方式】三提出的偶数情况旋进方式起始点示意图；
[0022] 图3(b)为【具体实施方式】三提出的偶数情况旋出方式起始点示意图；
[0023] 图4为【具体实施方式】三提出的奇数情况起始点10° X 10°示意图；
[0024] 图5为实施例一提出的细分网格3X3,观测中心线为-X轴的空间轨迹示意图；
[0025] 图6为实施例一提出的细分网格3X3,观测中心线为-X轴的空间轨迹局部放大 图；
[0026] 图7为实施例一提出的细分网格3X3,观测中心线为-Z轴的空间轨迹示意图；
[0027] 图8为实施例一提出的细分网格3X3,观测中心线为-Z轴的空间轨迹局部放大 图；
[0028] 图9为实施例一提出的细分网格IOX 10,观测中心线为-X轴的空间轨迹示意图；
[0029] 图10为实施例一提出的细分网格IOX 10,观测中心线为-X轴的空间轨迹局部放 大图；
[0030] 图11为实施例一提出的细分网格IOX 10,观测中心线为-Z轴的空间轨迹示意 图；
[0031] 图12为实施例一提出的细分网格IOX 10,观测中心线为-Z轴的空间轨迹局部放 大图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0032] 一：本实施方式的一种航天器在轨服务观测空间目标局部范围的时 间和燃料脉冲最优遍历方法，具体是按照以下步骤制备的：
[0033] 步骤一、不考虑摄动的情况下，在目标s处于圆轨道上，得到追踪航天器的相对轨 道运动模型描述成C-W方程；根据C-W方程的得到追踪航天器相对位置r (t)和相对速度 的状态转移方程；
[0034] 步骤二、根据任务要求确定所要观测的局部范围中心的方向为观测中心线方向， 在与观测中心线垂直的平面内两个相互垂直的方向上各存在M°的角度的范围，将M°的 角度的范围均分为1X1个细分的网