[发明专利]柔性航天器附着小行星的最优协同控制方法

说明书

本发明公开的柔性航天器附着小行星的最优协同控制方法，属于航天器制导与控制领域。柔性航天器由多个智能控制器通过柔性连接构成，本发明实现方法为：构建柔性航天器多个节点柔性连接构成的立体结构模型，在多个关键节点配置控制器；推导柔性航天器的多个控制器在小行星附近的弱引力场中相对小行星的轨道动力学方程，分析控制器之间存在柔性作用力约束以及控制器相对小行星表面的最终位置以及速度均为零的“双零约束”，从而建立多控制器的协同最优控制模型；采用高斯伪谱法对该模型进行数值求解，并给出柔性航天器附着小行星的最优控制轨迹、多控制器输出的控制力曲线、以及最优燃料消耗指标，实现弱引力场下的轨迹规划和小行星表面的稳定附着。

技术领域

本发明公开的柔性航天器附着小行星的最优协同控制方法，涉及一种多种约束条件下柔性航天器在行星表面稳定附着的控制方法，属于航天器制导与控制领域。

背景技术

近两个世纪以来，人类已在宇宙中发现和记录了数十万颗小天体，对小天体开展分析有着重大的科学价值。一方面，小行星蕴含着很多如铱、铂、镍等稀缺金属资源，甚至可能存在记录着生命起源信息的水和有机物等物质；另一方面，小行星撞击也为地球上生命的安全带来了很大威胁。所以，近年来，世界各国都在积极进行着小行星探测的航天任务。日本研发的“隼鸟号”系列航天器成功对多颗小行星进行了探测；2020年，“隼鸟二号”将在“龙宫”小行星上采集的样本带回地球。美国研发的“黎明号”航天器也成功对“灶神星”和“谷神星”两颗小行星进行了探测。中国研制的“嫦娥二号”航天器飞跃了“图塔蒂斯”小行星并对其进行了探测分析。随着小行星探测任务的不断开展，任务的复杂程度也逐渐提高。但是，小行星的形貌特征十分崎岖复杂，小行星周围的引力较弱且不规则，并且不同的小行星的环境特点也千差万别，这对航天器附着小行星进行探测带来了巨大的挑战。传统的刚性单体航天器在附着小行星的过程中易产生失稳反弹，从而脱离小行星引力场，导致任务失败。采用柔性航天器可有效减小与小行星表面碰撞产生的反弹，采用多个控制单元进行协同控制在小行星表面多点附着也能够提高航天器的稳定性。综上所述，分析柔性航天器附着小行星的多控制器协同最优控制有着重要意义。

柔性航天器附着小行星的控制技术需要以小行星的引力场模型以及航天器相对小行星的轨道动力学模型为基础。由于小行星形状不规则，质量分布不均匀，导致其周围的引力场环境也十分复杂，分析航天器在其引力场中的受力不能在使用常规的地球或太阳的均匀引力场模型，所以本发明采用二阶引力势函数模型描述小行星的引力环境。对于普通的地球卫星，能够采用二体引力模型描述所述卫星的轨道动力学，但是对于在小行星附近的航天器，其同时受到中心天体，如太阳或地球，以及小行星自身的引力作用，不能继续采用传统的二体引力轨道动力学模型，所以本发明在航天器同时受到中心天体以及小行星引力的基础上推导相对小行星运动的轨道动力学模型。针对传统刚性单体航天器附着小行星时，与小行星表面发生碰撞容易产生失稳反弹，甚至逃逸小行星引力范围导致任务失败的情况，本发明创新的建立了多个节点柔性连接构成的柔性航天器模型，通过分析柔性力约束作用机理，并引入“双零”约束构建了柔性航天器的最优控制方法，确保最终航天器在小行星表面稳定附着。

发明内容

本发明公开的柔性航天器附着小行星的最优协同控制方法要解决的技术问题是：通过柔性航天器各节点之间的柔性力约束，实现在小行星弱引力作用下，节点的位姿自动调节，进而促进航天器附着过程中的稳定控制；将“双零”约束作用到航天器附着终端状态，在多约束条件下实现多控制器协同轨道转移的最优控制，进而实现弱引力场下的轨迹规划和小行星表面的稳定附着。本发明具有燃料消耗少、执行效率高、控制精度高、鲁棒性强的优点。

本发明的目的通过以下技术方案实现。