基于二次型规划的在轨服务航天器推力分配优化方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于二次型规划的在轨服务航天器推力分配优化方法，采用基于二次型规划的二次分步优化方法，首先应用伪逆法寻找满足轨道与姿态控制要求的初始解，再使用二次型规划可以将求得的初始解修正到推力器能够提供的推力范围内。这种方法避免了单独采用二次型规划方法寻求初始解的盲目性和不精确性，使得期望控制量能够在执行机构间进行更好的分配，进而提高运算效率。
【专利说明】基于二次型规划的在轨服务航天器推力分配优化方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种航天器推力分配方法。
【背景技术】
[0002]在现有的在轨服务任务中，航天器的推力分配，大都是根据推力器布局，预先制定分配列表。该方法的主要缺点是需要预先制定推力器分配列表，包括推力器故障时的分配列表，它需要占用大量的星上存储空间，且采用这种分配方式也无法实时地调整分配策略应对不可遇见的推力器故障。因此，有必要基于现有的优化理论，研究新型的推力分配优化算法，实现在空间操作任务中，对装配有多推力器系统的航天器进行有效，实时的推力分配，同时减小在控制过程中的燃料消耗。
[0003]在空间操作任务中，执行在轨服务的主动航天器需同时控制主动航天器和目标航天器之间的相对位置和相对姿态。在这种情况下，控制执行机构由十几台到数十台推力器组成，之所以需要如此多的推力器，是因为在轨服务需要进行三轴相对位置控制和三轴相对姿态控制，且对控制精度的要求极高。通过公用一套推进系统实现轨道和姿态的一体化控制，则既能提高航天器的执行精度和对推力器故障的容错能力，又能节省部分硬件、节约燃料。
[0004]为了确保航天器的在轨可靠运行，现有设计理念通常采用冗余配置系统，这使得由控制算法给出的期望控制量到推力器控制指令的分配方案并不唯一。控制分配方法是由控制律给出的期望控制量出发，在各类约束条件和最优目标下，将期望控制量在冗余配置的执行机构间进行分配，使执行机构实际控制输出尽可能与期望控制量相吻合的一种控制设计技术。控制分配算法的实质是一个约束条件下期望控制量到各个执行机构控制指令的非线性映射过程。基于优化的控制分配算法将控制分配问题转化为包括代价函数、等式约束和不等式约束的约束优化数学模型，然后利用各种优化算法对其进行求解。
·[0005]总的来说，当前还未能提出一种实时有效的航天器推力分配优化算法。
【发明内容】
[0006]为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于二次型规划的在轨服务航天器推力分配优化方法，以实现在轨服务航天器在空间操作任务中的自主推力分配。
[0007]本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤:
[0008]步骤一、定义航天器本体坐标系0Xbybzb的三个坐标轴与航天器三个惯性主轴重合，航天器上安装的推力器个数为η个，在航天器体坐标系0xbybzb下，各个推力器相对航天器质心的位置矢量矩阵为[dlb, d2b,…，dnb],其中(Iib=Iixi Yi ZJt表示dib在体坐标系0xbybzb三个轴上的分量大小；定义eb=[ex ey ez]T为体坐标系的三个基矢，推力器所产生的单位推力矩阵为[elb, e2b,…，enb],其中 eib=[cos a jcos β pos a iCos β pin α Jt 为第 i 个推力器产生的单位推力在体坐标系三个轴上的分量;第i个推力器产生的推力大小为Fi, i=1，2，…，n，且为第i个推力器在一个执行周期内全部开机时所能产生的最大推力，则第i个推力器对航天器质心产生的作用力为:
[0009]
【权利要求】
1.一种基于二次型规划的在轨服务航天器推力分配优化方法，其特征在于包括下述步骤: 步骤一、定义航天器本体坐标系OxbybZb的三个坐标轴与航天器三个惯性主轴重合，航天器上安装的推力器个数为η个，在航天器体坐标系0Xbybzb下，各个推力器相对航天器质心的位置矢量矩阵为[dlb, d2b,...，dnb],其中(Iib=Iixi Ji ζ」τ表示dib在体坐标系0xbybzb三个轴上的分量大小；定义eb=[ex ey ez]T为体坐标系的三个基矢，推力器所产生的单位推力矩阵为[elb, e2b,..., enb],其中 eib=[cos a iCos cos a jcos sin a Jt 为第 i 个推力器产生的单位推力在体坐标系三个轴上的分量；第i个推力器产生的推力大小为Fi, i =1，2，…，n，且O 5； S /f，P:为第i个推力器在一个执行周期内全部开机时所能产生的最大推力，则第i个推力器对航天器质心产生的作用力为:
【文档编号】G05D1/10GK103543750SQ201310320058
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年7月26日 优先权日:2013年7月26日
【发明者】岳晓奎, 李鹏, 袁建平, 段辰璐 申请人:西北工业大学