专利名称：椭圆轨道上小推力调相机动设计方法
技术领域：
本发明涉及一种椭圆轨道上小推力调相机动设计方法，属于航天器轨道机动技术领域。
背景技术：
调相段是空间交会对接，地球同步卫星入轨等任务的重要组成部分，调相机动设计是此类任务设计中的重要一环。根据目前的推进技术，实现调相任务可以采用传统脉冲发动机和小推力发动机两种方式。比较而言，小推力发动机比冲高、质量轻，可以有效降低调相过程中的燃料消耗，更具有技术优势。然而，小推力发动机工作时间长、作用下的轨道呈非开普勒的特点也给调相机动设计带来了难题。在传统的脉冲调相任务设计中，漂移段可用圆锥曲线进行描述，设计变量仅包括机动脉冲和漂移时间等少量参数。而对于小推力 调相任务而言，机动控制律是长时间的连续函数，其优化设计的本质为求解连续最优控制问题。针对这一问题，可以采用直接法或间接法等数值算法进行求解，但这些解法在没有良好初值条件下，很难达到收敛。尤其对于椭圆轨道调相任务，影响调相机动最优性的参数相比圆轨道情况更多，初始设计也更为困难。因此如何从小推力椭圆轨道调相问题本质出发，探求快速有效的调相机动关键参数初始设计方法，从而为精确设计提供可靠初值，加快调相任务设计效率是需要解决的一个关键技术问题。在已发展的航天器调相轨道设计方法中，在先技术[I] (Zhang Jin, WangXiang,Ma Xiao—bing，Tang Yi，Huang Hai-bing. Spacecraft long-durationphasing maneuver optimization using hybrid approach[J]. ActaAstronautica, 2012，72:132-142.)，针对多脉冲调相机动优化设计问题，考虑调相圈数为设计变量，将调相机动优化转换为一个混合整数非线性规划问题，然后结合分枝定界算法和序列二次规划算法对问题进行了求解。然而，该方法是针对脉冲式调相轨道展开研究的，无法适用于小推力调相机动的设计。在先技术[2](Hall C D, Victor ColIazo-Perez V. Minimum-timeorbital phasing maneuvers[J] . Journal of Guidance,Control, andDynamics, 2003, 26(6) :934-941.),在平面极坐标系模型下,采用庞德利亚金极大值原理，推导了协状态变量与调相机动控制参数的关系式，进一步通过归一化处理，将终端轨道状态约束简化成简单的三角函数形式，并对归结的非线性参数优化问题采用数值打靶法进行求解。该方法能够应用于时间最省小推力调相轨道机动的设计问题，但该数值算法受制于初值猜测是否准确，鲁棒性较差，且无法适用于推力小、作用时间长的情况。并且该方法是针对圆轨道调相任务提出的，而椭圆轨道由于任务初始位置也会影响最优性，故该算法无法直接适用于椭圆轨道上的调相机动设计。
发明内容
本发明的目的在于针对现有设计方法无法对小推力椭圆轨道调相机动进行快速初始设计，提出了一种椭圆轨道上小推力调相机动设计方法。本方法首先基于推力方向对航天器相位变化的影响规律，提出两种可行的调相策略；然后，利用约束松弛、轨道平均化等技术，将复杂的调相机动设计问题简化为一个仅包含三个参数的优化问题。再根据小推力椭圆轨道调相任务特点，通过采用轨道平均化技术和忽略次要约束，对设计模型进行了简化处理，从而实现高效快速地获得椭圆轨道调相机动参数初值，具有计算量小、半解析等特点。—种椭圆轨道上小推力调相机动设计方法，具体包括如下步骤步骤1，求解半径与椭圆轨道半长轴相等的圆轨道所需调相时间，将其作为椭圆调相时间的初值猜测。令初始时刻为O。对于外旋策略，调相时间满足方程组
权利要求
1.椭圆轨道上小推力调相机动设计方法，其特征在于包括以下步骤 步骤1，求解半径与椭圆轨道半长轴相等的圆轨道所需调相时间，将其作为椭圆调相时间的初值猜测； 令初始时刻为O ;对于外旋策略，调相时间满足方程组 _ I ·,Λα A _ Ia3 ζζI - fl ^ zzz -4~ I............ H 逢2J d/ 0 % μ ..rw = m λ ^γc 对于内旋策略，调相时间满足方程组 ——I I* cl ^7 -I Cf Cl = Hh —丨-Q/ = η 一 I-H / O ^ Ia I .O 41 c m 2Jl· cl/^ μ / = m—i 其中 表示初始时刻轨道的半长轴大小，AMtlS调相开始前追踪航天器与目标航天器之间的初始平近点角差，tm为调相推力方向转换时刻，U。为推力大小，g为调相轨道的平均半长轴，初值取为a。； 利用牛顿迭代方法求解调相时间方程组，得到时间值tm ； 步骤2，分别将时间值tm和2tm作为椭圆调相任务调相推力方向转换时刻tm和调相结束时刻tf的初值，进行椭圆轨道调相机动参数的解析计算，得到沿速度方向调相的时间h和沿速度反方向调相的时间t2 ； 具体过程为 设在调相过程中偏心率e不变，固定一个初始相位Ea(O)，通过轨道平均法，椭圆轨道调相策略满足的约束为 ^ =今(式刺，/以4))-巧(#4)石⑷)=O 其中EA(t)为追踪航天器t时刻的偏近点角,/表示调相前半段的半长轴平均值，死表示调相后半段的半长轴平均值； 对于外旋策略 / V I^i(O) f "γφ|;::丨::丨 对于内旋策略 7If = M
2.根据权利要求I所述的椭圆轨道上小推力调相机动设计方法，其特征在于所述调相前半段为调相推力方向转换之前的调相阶段，调相后半段为调相推力方向转换之后的调相阶段。
3.根据权利要求I所述的椭圆轨道上小推力调相机动设计方法，其特征在于最优初始相角及时间的求解方法为 建立最优调相机动所满足的约束方程组
4.根据权利要求I所述的椭圆轨道上小推力调相机动设计方法，其特征在于步骤5所述的策略选取方法为 分别计算外旋策略和内旋策略下最优控制律对应的总时间
全文摘要
本发明涉及一种椭圆轨道上小推力调相机动设计方法，属于航天器轨道机动技术领域。本方法首先基于推力方向对航天器相位变化的影响规律，提出两种可行的调相策略；然后，利用约束松弛、轨道平均化等技术，将复杂的调相机动设计问题简化为一个仅包含三个参数的优化问题。再根据小推力椭圆轨道调相任务特点，通过采用轨道平均化技术和忽略次要约束，对设计模型进行了简化处理，从而实现高效快速地获得椭圆轨道调相机动参数初值，具有算法简单、鲁棒性强、计算效率高等优点，适用于同一椭圆轨道上小推力调相机动的初始设计，也适用于轨道偏差较小的不同椭圆轨道间的调相机动初始设计。
文档编号G06F19/00GK102968566SQ20121049934
公开日2013年3月13日 申请日期2012年11月29日 优先权日2012年11月29日
发明者尚海滨, 崔平远, 王帅, 窦强, 赵遵辉 申请人:北京理工大学