[发明专利]基于旋转路径质量的航天器多约束姿态机动优化方法

说明书

本发明公开的基于旋转路径质量的航天器多约束姿态机动优化方法，属于航天器姿态规划与优化技术领域。本发明实现方法为：建立旋转路径质量评价模型，分别给出连续和离散两种形式；旋转路径质量通过每个路径点和目标点的误差距离之和的倒数来评价；建立航天器姿态运动学和动力学模型，考虑控制力矩和角速度有界约束；确定航天器在姿态机动过程中需要满足的多个指向约束；确定航天器姿态机动过程的起始姿态点和目标姿态点，以及起始角速度和目标角速度；基于优化方法求解基于旋转路径质量的多约束姿态机动，得到高旋转路径质量的姿态路径。本发明能够减少路径长度，降低路径退绕，得到高旋转路径质量的姿态路径，更有利于实际的姿态跟踪控制。

技术领域

本发明涉及一种基于旋转路径质量的航天器多约束姿态机动优化方法，属于航天器姿态规划与优化技术领域。

背景技术

姿态机动是航天器从一种定向转变为另一种定向的过程。为了完成特定空间任务的要求，航天器需要进行快速的或者低能量的姿态机动。同时，航天器在姿态机动过程中会受到边界条件、姿态运动学和动力学约束、指向约束以及控制力矩和角速度有界约束等多种约束条件的限制。这些约束条件的存在使得姿态机动规划问题求解起来非常困难。进一步考虑优化指标的情况下，问题求解则变得极具挑战性。

国内外众多学者首先对约束姿态机动可行解问题进行了深入的研究，涌现出了多种求解方法，如势函数法、几何方法、随机规划算法和半定规划方法等。关于约束姿态机动优化问题，目前的优化方法主要针对于机动时间或者能量消耗的单目标优化问题。例如，Sun等基于半定松弛和迭代秩最小化方法求解得到能量最优的约束姿态机动解。Spiller等采用粒子群优化算法和逆动力学方法求解禁忌指向约束下的时间最优姿态机动。

现有的约束姿态机动优化问题只关注于对姿态路径的动力学特性的优化，如机动时间和能量消耗，而忽略了对路径本身几何特性的优化。这样求得的姿态路径很容易不适合实际应用，例如存在路径退绕和路径急转等问题。

发明内容

针对现有技术中约束姿态机动优化问题只关注于对姿态路径动力学特性的优化进而求得的姿态路径很容易存在路径退绕等问题，本发明要解决的技术问题是提供一种基于旋转路径质量的航天器多约束姿态机动优化方法，提出旋转路径质量的概念，给出包含连续和离散两种形式下的旋转路径质量评价模型，减少路径长度，降低路径退绕，基于优化方法求解基于旋转路径质量的多约束姿态机动，得到高旋转路径质量的姿态路径，更有利于实际的姿态跟踪控制。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的基于旋转路径质量的航天器多约束姿态机动优化方法，建立旋转路径质量评价模型，分别给出连续和离散两种形式。旋转路径质量通过每个路径点和目标点的误差距离之和的倒数来评价，用以反映路径长度和路径退绕的综合情况。建立航天器姿态运动学和动力学模型，考虑控制力矩和角速度有界约束。确定航天器在姿态机动过程中需要满足的多个指向约束。确定航天器姿态机动过程的起始姿态点和目标姿态点，以及起始角速度和目标角速度。基于优化方法求解基于旋转路径质量的多约束姿态机动，得到高旋转路径质量的姿态路径。

本发明公开的基于旋转路径质量的航天器多约束姿态机动优化方法，包括如下实现步骤：

步骤一、建立旋转路径质量评价模型，分别给出连续和离散两种形式。

旋转路径质量通过每个路径点和目标点的误差距离之和的倒数来评价，用以反映路径长度和路径退绕的综合情况。采用单位四元数描述航天器的姿态，姿态四元数的第一个元素是标量部分。

旋转路径质量W表示为如下的连续形式：

式中，t₀和t_f分别表示姿态机动的起始时间和结束时间。||·||表示求2范数。