[发明专利]一种针对服务航天器定轴转动时的最佳自转角速度的计算方法

说明书

本发明公开了一种针对服务航天器定轴转动时的最佳自转角速度的计算方法，包括以下步骤：首先将测得的目标的姿态四元数进行傅里叶变换，得到目标运动三个特征角频率；然后使用滤波方法使这项角频率的估计值更精确；最后，将影响最大的特征角频率乘以2，即得到服务航天器转动的最佳角速度。依据本发明设计的自转角速度使服务航天器旋转起来，可以有效减小服务航天器和目标之间的相对角速度和相对线速度，从而减轻了机械臂抓捕时的负担，增强了空间在轨服务的安全性。另外，虽然服务航天器是作定轴转动，但本发明设计自转角速度不仅限于定轴转动的目标，对于沿三轴翻滚的目标，同样能有效降低相对角速度。

技术领域：

本发明涉及航天领域的在轨服务技术，具体涉及一种针对服务航天器定轴转动时的最佳自转角速度的计算方法。

背景技术：

目前，空间在轨服务技术正受到国内外研究者们的普遍关注。空间在轨服务的目标包括故障卫星和太空碎片。其目的在于使用服务航天器对目标进行维修，或将目标清除出当前轨道。进行空间在轨服务的先决条件之一是对目标进行对接。由于太空中作用在目标上的外力矩很小，目标初始的角动量很难耗散掉，因此经常处于翻滚状态。对于翻滚目标的对接尤为困难，因为当服务航天器与目标相对速度较大时，很容易造成碰撞使对接机构损坏。对于低速翻滚卫星，可以使用空间机械臂的运动消除相对角速度，但当目标角速度过大时，仅靠机械臂的运动往往无法满足要求。以往有通过使服务航天器本体转动从而降低其与作定轴转动的目标的相对角速度的方法，但是没有研究提出过对于做三轴翻滚运动的目标如何最大程度消除相对速度的方法。

发明内容：

本发明的目的是为了降低服务航天器与任意翻滚目标的相对角速度，提供了一种针对服务航天器定轴转动时的最佳自转角速度的计算方法，用于针对空间抓捕任务中的服务航天器转动时的最佳自传角速度计算。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现：

一种针对服务航天器定轴转动时的最佳自转角速度的计算方法，包括以下步骤：

1)利用视觉观测系统或者激光雷达测距系统，测量翻滚目标实时的姿态并使用四元数表示方法进行记录，同时记录各姿态对应的时间；

2)在采集N组目标姿态四元数的观测信息后，对姿态四元数的各个分量进行离散傅里叶变换，由于姿态动力学方程的特性，四元数的离散傅里叶变换结果在频域中的图形会出现若干个尖峰，其中N的值需满足f_m代表时域中观测值的采样频率，f₁为时域中观测数据变换到频域中的图形上的第一个尖峰所对应的频率；

3)以峰值高度最高的三个尖峰所对应的频率作为初始值，通过扩展卡尔曼滤波或其他滤波方法，利用更多的四元数观测数据，使得对这些频率的估计值精确；

4)在对以上频率的估计的相对误差小于5％之后，找到在四元数的频域图形中峰值最高的尖峰所对应的频率，通过此频率直接计算得到服务航天器的最佳自转角速度。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中所述的观测系统得到的四元数观测值为q(t_k)，其中t_k为第k次观测所对应的时间，观测值包含有误差，且误差被认为是高斯白噪声进行处理。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中使用的离散傅里叶变换方法为：

其中，q_i(t_k)表示q(t_k)的第i个分量，z_i(n)表示q_i(t_k)进行离散傅里叶变换后在频域中第n项的值，N是观测值的总数量，j是虚数单位，z_i(n)在频域中对应的频率为