一种欠驱动条件下的空间飞行器位置机动方法

摘要

本发明提供了一种欠驱动条件下的空间飞行器位置机动方法，步骤如下：(1)获得载体坐标系下飞行器当前位置与目标位置之间的位置误差及飞行器在当前速度与目标速度之间的速度误差，计算飞行器与目标位置的相对距离；(2)计算载体坐标系下飞行器相对目标位置的视线角速度；(3)计算OZ轴与位置误差矢量的夹角或者OX轴与视线角速度矢量的夹角；(4)计算误差四元数；(5)控制飞行器的姿态和轨道，调整轨控发动机的推力方向，使飞行器从当前位置运动到目标位置。本发明针对采用在飞行器纵轴方向无控制力的动力系统的小型空间飞行器，基于姿轨耦合控制方法，在不增加轨控发动机或改变动力系统布局的条件下完成飞行器的空间位置的改变。

主权项

一种欠驱动条件下的空间飞行器位置机动方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)获得载体坐标系下飞行器当前位置与目标位置之间的位置误差及飞行器在当前速度与目标速度之间的速度误差计算飞行器与目标位置的相对距离r；$r=\sqrt{{\left(r_{ex}^b\right)}^2+{\left(r_{ey}^b\right)}^2+{\left(r_{ez}^b\right)}^2}$所述的载体坐标系O‑XYZ的原点O位于飞行器的质心，OX轴沿飞行器纵向，OY轴在飞行器纵向对称面内指向上方，OZ轴与OX轴和OY轴构成右手坐标系；(2)计算载体坐标系下飞行器相对目标位置的视线角速度$\omega =\sqrt{{\left({\omega }_x\right)}^2+{\left({\omega }_y\right)}^2+{\left({\omega }_z\right)}^2};$其中，$\left\{\begin{array}{c}{\omega }_x=(r_{ey}^b{v}_{ez}^b-r_{ez}^b{v}_{ey}^b)/r^2\\ {\omega }_y=(r_{ez}^b{v}_{ex}^b-r_{ex}^b{v}_{ez}^b)/r^2\\ {\omega }_z=(r_{ex}^b{v}_{ey}^b-r_{ey}^b{v}_{ex}^b)/r^2\end{array}\right.$(3)比较飞行器相对目标位置的视线角速度ω与用于位置控制的视线角速度阈值Ω₁的大小：如果ω<Ω₁，则计算载体坐标系OZ轴与位置误差矢量的夹角θ，转到步骤(4)；$\theta =\left\{\begin{array}{cc}0,& r<EPS\\ arccos(r_{ez}^b/r),& r\ge EPS\end{array}\right.$其中，EPS为数据计算精度；如果ω≥Ω₁，则计算载体坐标系OX轴与视线角速度矢量的夹角β，转到步骤(6)；$\beta =\left\{\begin{array}{cc}0,& \omega <EPS\\ arccos({\omega }_x/\omega ),& \omega \ge EPS\end{array}\right.$(4)如果θ≤π/2，且r>R，则根据如下公式计算误差四元数q_e0,q_e1,q_e2,q_e3：$\left\{\begin{array}{c}{q}_{e0}=\sqrt{0.5·(1+r_{zx}^b/r)}\\ q_{e1}=-0.5·r_{ey}^b/{\mathrm{rq}}_{e0}\\ q_{e2}=0.5·r_{ex}^b/{\mathrm{rq}}_{e0}\\ q_{e3}=0\end{array}\right.$如果θ>π/2，且r>R，则根据如下公式计算误差四元数q_e0,q_e1,q_e2,q_e3：$\left\{\begin{array}{c}{q}_{e0}=\sqrt{0.5·(1+r_{zx}^b/r)}\\ q_{e1}=0.5·r_{ey}^b/{\mathrm{rq}}_{e0}\\ q_{e2}=-0.5·r_{ex}^b/{\mathrm{rq}}_{e0}\\ q_{e3}=0\end{array}\right.$如果r≤R，则设置误差四元数q_e0＝1,q_e1＝0,q_e2＝0,q_e3＝0；其中，R为停止轨道控制的安全距离；(5)根据误差四元数调整飞行器的姿态使载体坐标系OZ轴与位置误差矢量间的夹角θ趋向于零；同时，调整飞行器的轨道，使载体坐标系OZ轴方向飞行器与目标之间的位置误差趋向于零，并退出；(6)如果β≤π/2，则根据如下公式计算误差四元数q_e0,q_e1,q_e2,q_e3：$\left\{\begin{array}{c}{q}_{e0}=\sqrt{0.5·(1+{\omega }_x/\omega )}\\ q_{e1}=0\\ q_{e2}=0.5·{\omega }_z/\omega q_{e0}\\ q_{e3}=-0.5·{\omega }_y/{\mathrm{\omega q}}_{e0}\end{array}\right.$如果β>π/2，则根据如下公式计算误差四元数q_e0,q_e1,q_e2,q_e3：$\left\{\begin{array}{c}{q}_{e0}=\sqrt{0.5·(1+{\omega }_x/\omega )}\\ q_{e1}=0\\ q_{e2}=-0.5·{\omega }_z/\omega q_{e0}\\ q_{e3}=0.5·{\omega }_y/{\mathrm{\omega q}}_{e0}\end{array}\right.$(7)根据误差四元数调整飞行器的姿态使载体坐标系OX轴与视线角速度矢量间的夹角β趋向于零；同时，调整飞行器的轨道，使载体坐标系YOZ平面内飞行器与目标之间的位置误差趋向于零，或者使载体坐标系YOZ平面内飞行器与目标之间的速度误差趋向于零。