[发明专利]航天器避障轨迹快速规划方法、装置和计算机设备

说明书

本申请涉及一种航天器避障轨迹快速规划方法、装置和计算机设备。所述方法包括：获取服务航天器与目标航天器间的相对运动模型，获取障碍物的非线性碰撞避免约束模型，根据障碍物在服务航天器轨迹起点和轨迹终点连线上的投影位置，确定旋转时间窗口的中心位置，根据障碍物的最大尺寸以及预先设置的调节参数，确定旋转时间窗口的长度，根据非线性碰撞避免约束模型以及障碍物在旋转时间窗口内的旋转超平面，得到避障约束，根据避障约束以及相对运动模型，进行航天器避障轨迹快速规划。采用本方法能够使得超平面约束转动与航天器的运动相匹配，不需要先验信息。

技术领域

本申请涉及航天器轨迹规划技术领域，特别是涉及一种航天器避障轨迹快速规划方法、装置和计算机设备。

背景技术

服务航天器通过近距离接近目标航天器，并对其实施在轨服务操作是有效延长其寿命提升其任务性能的重要手段。空间碎片的日益增多使得服务航天器在近距离接近过程中发生碰撞的风险越来越大，需要进行避障轨迹规划。

现有航天器避障轨迹规划方法主要包括两类。一类是基于解析的方法，其中最常用的是人工势函数法(Artificial potential function,APF)，其基本思想是在状态空间构建目标引力场和障碍物斥力场，引导航天器在机动过程中实现碰撞避免。该方法最早由Khatib在研究地面机器人避障轨迹规划时提出的，McInnes将其引入到空间领，因其计算效率高，稳定性易判定等优点，现已广泛应用于航天器自主交会、在轨装配、编队飞行等任务场景。但在多障碍物场景中，状态空间中的某些点在多个场作用下可能合力为零，可能使得航天器陷入局部极小值点。

另一类避障方法是将碰撞避免作为约束条件引入到轨迹规划中，并通过优化理论进行求解。但非线性的避障约束会增加系统的计算负担，且计算结果对初值敏感。为解决这些问题，Park等在模型预测控制框架下率先提出了平面内的旋转超平面方法(RotatingHyperplane)，用一组转动的线性约束代替原先的非线性椭球约束，将非线性的轨迹规划问题转化为二次规划问题，Weiss等将其扩展到三维空间。随后，Park等又提出了双超平面的方法，即用两个与原障碍物椭球相切的线性超平面约束代替椭球约束，以进一步提高求解效率，并通过数值仿真和气浮台试验验证了仿真结；Zagaris将其扩展到了三维空间，并与旋转超平面方法和直接线性化方法进行了性能对比。

以服务航天器近距离接近过程中需避开两个障碍物为例，其机动轨迹的实际可行域为两个障碍物之外的全部空间。若采用现有旋转超平面方法，每个障碍物的可行域将是由垂直于服务航天器与障碍物连线的超平面所形成的半空间，两个障碍物相应半空间的交集即为现有旋转超平面方法的可行域。然而，两个半空间的交集远小于实际可行域，甚至出现交集为空的情形，即服务航天器机动轨迹可行域为零，导致避障轨迹规划失败。造成这一问题的本质原因是超平面的转动与服务航天器的运动失配。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够解决超平面的转动与服务航天器运动失配问题的航天器避障轨迹快速规划方法、装置和计算机设备。

一种航天器避障轨迹快速规划方法，所述方法包括：

获取服务航天器与目标航天器间的相对运动模型；

获取障碍物的非线性碰撞避免约束模型；

根据障碍物在服务航天器轨迹起点和轨迹终点连线上的投影位置，确定旋转时间窗口的中心位置；

根据障碍物的最大尺寸以及预先设置的调节参数，确定所述旋转时间窗口的长度；

根据所述非线性碰撞避免约束模型以及障碍物在所述时间窗口内的旋转超平面，得到避障约束；

根据所述避障约束以及所述相对运动模型，进行航天器避障轨迹快速规划。