[发明专利]一种多约束下航天器能量最优的自主碰撞规避方法

说明书

一种多约束下航天器能量最优的自主碰撞规避方法，涉及航空航天领域，有效解决了卫星碰撞问题。本发明包括：建立卫星运动学模型；建立坐标变换矩阵，将卫星在质心坐标系下的运动映射到地球惯性坐标系下的运动；制定碰撞规避策略；在约束条件下计算卫星的状态方程；选取航天器能量优化指标和哈密顿函数，计算协调因子；计算航天器能量最优条件下的卫星最优速度增量和方向，通过卫星最优速度增量和方向，规避卫星以最优条件下的运动轨迹进行碰撞规避。本发明控制结果精度高，可以实现两颗或多颗卫星的碰撞规避，具有节省燃料、控制操作简单等优点，普遍适用于微小卫星，同时本发明特别适用于近距离的卫星碰撞规避。

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，具体涉及一种多约束下航天器能量最优的自主碰撞规避方法。

背景技术

自主碰撞规避是防止低轨小卫星碰撞的有效手段和方法，由于商业小卫星迅速发展，小卫星的数量快速增多，增大了碰撞的风险系数，并且测控站的数量有限，如果几颗卫星同时碰撞，仅通过地面同时规避几乎不可能。

目前，现有的卫星自主碰撞规避方法主要有以下几种方式：

《航天器在轨防碰撞自主规避策略》(国防科技大学学报，姚党鼐，王振国，2012,6(34):100-104)针对航天器与空间目标距离较近时的碰撞问题进行了研究，依靠星上测量设备，设计了近距离自主规避策略，但是未考虑测量设备的测量误差，近距离规避碰撞，仍会存在碰撞的风险。

《编队卫星快速解析碰撞预警方法研究》(第一届中国空天安全会议，王有亮，李明涛，郑建华，2015,83-88)提出一种基于特征点的快速解析碰撞预警方法，降低了对绝对测量信息的依赖，通过割线法和高斯方程求解燃料最省的碰撞规避，但是求的解均是近似解，会存在一定偏差。

《编队卫星碰撞规避方法研究》(上海航天，胡敏，曾国强，2010,3:6-10)将碰撞概率密度函数在危险区域积分，获得编队卫星的碰撞概率，当碰撞概率大于安全阈值时，向卫星施加最小脉冲速度修正量，降低了碰撞概率，但是碰撞规避机动后未保持星座构型。

《基于碰撞概率的交会对接最优碰撞规避机动》(宇航学报，王华，李海阳，唐国金，2008,29(1):220-223)提出了一种求解交会对接过程中最优碰撞规避机动方法，在保证碰撞概率降低到安全值的前提下得到最优的避撞机动冲量，采用机动方向和机动大小分布求解的策略计算冲量，适用于相距几十公里以内的碰撞规避，而不适用于近距离的碰撞规避。

发明内容

为了有效解决卫星碰撞问题，本发明提供了一种多约束下航天器能量最优的自主碰撞规避方法。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

本发明的一种多约束下航天器能量最优的自主碰撞规避方法，包括以下步骤：

步骤一、建立卫星运动学模型；

步骤二、建立坐标变换矩阵，将卫星在质心坐标系下的运动映射到地球惯性坐标系下的运动；

步骤三、制定碰撞规避策略；

步骤四、在约束条件下计算卫星的状态方程；

步骤五、选取航天器能量优化指标和哈密顿函数，计算协调因子；

步骤六、计算航天器能量最优条件下的卫星最优速度增量和方向，通过卫星最优速度增量和方向，规避卫星以最优条件下的运动轨迹进行碰撞规避。

作为优选的实施方式，步骤一的具体实现过程如下：

两颗卫星d和g正常在轨飞行，当t时刻，卫星d与卫星g相交于空间某一点时两颗卫星发生碰撞，卫星d相对于卫星g的位置矢量ρ为：

ρ＝r₁-r₂ (1)