基于沖量法實現(xiàn)航天器編隊重構(gòu)控制仿真的研究

劉 猛，池 云，張德育

（1.沈陽理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159；2.遼寧行政學(xué)院，沈陽 110161）

基于沖量法實現(xiàn)航天器編隊重構(gòu)控制仿真的研究

劉 猛1，池 云2，張德育1

（1.沈陽理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159；2.遼寧行政學(xué)院，沈陽 110161）

針對航天器編隊重構(gòu)的可視性不強，提出一種沖量法實現(xiàn)航天器編隊重構(gòu)的視景仿真技術(shù)。雙脈沖機動是指航天器對空間目標(biāo)的近軌道轉(zhuǎn)移時，所需要的兩次沖量機動。應(yīng)用航天器之間相對運動原理，以空間目標(biāo)軌道六要素為目標(biāo)函數(shù)，通過調(diào)整航天器軌道參數(shù)對空間目標(biāo)進(jìn)行編隊重構(gòu)，有擺動繞飛轉(zhuǎn)移至擺動式懸掛繞飛，進(jìn)而得出了航天器轉(zhuǎn)移擺動式懸掛繞飛編隊到所需沖量基本關(guān)系，從而實現(xiàn)航天器對空間目標(biāo)進(jìn)行編隊重構(gòu)控制。

雙脈沖機動，相對運動，編隊重構(gòu)，擺動式懸掛

0 引言

隨著航天技術(shù)的迅猛發(fā)展，空間航天器的數(shù)量、水平及能力不斷提高，各航天大國為了保持空間的優(yōu)勢，紛紛開展有關(guān)航天器機動性的研究。在此項研究中，航天器編隊重構(gòu)技術(shù)已成為其關(guān)注的焦點。為了提供航天器編隊重構(gòu)的直觀顯示，真實呈現(xiàn)航天器編隊重構(gòu)的任務(wù)過程，本文運用STK衛(wèi)星工具仿真軟件設(shè)計航天器編隊重構(gòu)控制仿真系統(tǒng)。

1 相對運動的雙脈沖機動

航天器C相對于參考目標(biāo)A的位置矢量δr0和速度δv0為已知，在t=0時刻進(jìn)行脈沖機動，在時刻t=0+瞬間將速度變?yōu)棣膙0+。δv0+的分量如下頁圖1所示，要確定引入距陣標(biāo)記來定義相對位置的矢量和速度矢量

圖1 軌道追蹤相對軌道示意圖

初始值為：

在交會分析中所有的運動量均是相對與C-W坐標(biāo)而言利用矩陣可以進(jìn)一步解為：

其中的C-W距陣為：

式（4）處的δu0+、δv0+、δw0+，以使C能于規(guī)定的tf時刻準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)航天器處。將C置于交會軌道所需要的速度增量為：

在tf時刻，C將到達(dá)運動坐標(biāo)系的原點A處，即δrf=δr（tf）。在tf時刻的值，可得

由此解出

化簡后，可得

2 基于擺動式懸掛繞飛的軌道設(shè)計

擺動編隊軌道構(gòu)形中，參考目標(biāo)和航天器均在圓軌道上運行，航天器在同一平面內(nèi)相對參考目標(biāo)作簡諧運動，從參考飛行器的視角來看，航天器在參考的Z軸方向像“鐘擺”一樣的簡諧運動，所以稱其為鐘擺式編隊。假設(shè)參考參考目標(biāo)A的軌道要素為（a，i，w，Ω，θ），空間虛擬航天器B的軌道六要素為（a1，i1，w1，Ω1，θ1），在赤道慣性坐標(biāo)系中，參考目標(biāo)與空間虛擬航天器的相對位置△r1為：

其中，

由于伴隨衛(wèi)星運動于圓軌道上，因此e=0，可以Hill方程推導(dǎo)繞飛軌跡方程為：

式中，φ1為B在擺動編隊的初始相角，ws為擺動編隊的平均角速度，Rx表示沿參考目標(biāo)飛行方向B相對于參考目標(biāo)A的距離，Rz表示B沿著垂直參考目標(biāo)A軌道平面方向作簡諧運動的幅度。鐘擺編隊有：

圖2 懸掛軌道擺動編隊示意圖

圖2所示，航天器C的軌道是參考目標(biāo)A的軌道的懸掛擺動軌道。參考空間虛擬飛行器B的軌道半徑為a1；航天器C的軌道半徑為a2，f為其軌道半徑的差。

根據(jù)懸掛軌道的定義，空間虛擬飛行器B和航天器C的瞬間運行角速度相等，航天器C的軌道六要素為（a2，i2，w2，Ω2，θ2），航天器的長半軸為

由于航天器C為圓軌道e2=0，航天器C與空間虛擬飛行器B相同軌道面因此軌道傾角相同，即

航天器C對空間虛擬飛行器B為懸掛軌道，根據(jù)其懸掛特性，航天器C與空間虛擬飛行器B軌道六要素除軌道半徑不同，其他均相同。航天器的軌道六要素為（a2，i2，w2，Ω2，θ2）與參考目標(biāo)A的軌道六要素關(guān)系為：

3 基于雙脈沖機動的實現(xiàn)重構(gòu)懸掛繞飛編隊

根據(jù)特定任務(wù)，航天器由相對空間目標(biāo)擺動繞飛編隊重構(gòu)形成擺動懸掛繞飛編隊。雖然航天器的軌道與空間目標(biāo)的軌道距離較近，但是航天器與空間目標(biāo)的軌道不相同，因此，進(jìn)行航天器編隊重構(gòu)轉(zhuǎn)移，其轉(zhuǎn)移過程如圖3所示。

圖3 軌道轉(zhuǎn)移過程的框圖

如圖4所示，航天器C與空間目標(biāo)A在t0時刻做擺動繞飛運動，航天器經(jīng)過雙脈沖機動后，在t1時刻航天器C與空間目標(biāo)A懸掛式擺動繞飛。

圖4 軌道轉(zhuǎn)移示意圖

4 仿真模型的建立

航天器A和C的軌道六要素如表1所示，航天器C經(jīng)過雙脈沖沖量在9 000 s后，實現(xiàn)相對于航天器A的擺動式懸掛繞飛。

表1 航天器A和C的軌道六要素

控制過程的加速度同懸掛軌道，在STK中進(jìn)行仿真如圖5所示。

圖5 懸掛擺動軌道應(yīng)用模式

通過圖5（a）中的視景仿真圖和圖5（c）航天器距離圖可以看出航天器C對空間目標(biāo)A做振幅為7 km的擺動繞飛。經(jīng)過雙沖量機動后，從圖5（b）的視景仿真圖和圖5（d）航天器距離圖可以看出航天器C在空間目標(biāo)A的5 km下方作振幅為7 km懸掛式擺動繞飛。

6 結(jié)論

本文構(gòu)建了一種基于編隊航天器重構(gòu)技術(shù)研究，對航天器雙沖量機動方式進(jìn)行了設(shè)計和實驗。實驗結(jié)果表明通過雙沖量機動可以實現(xiàn)航天器編隊重構(gòu)，生成了STK編隊重構(gòu)視景仿真，進(jìn)行了航天器編隊重構(gòu)計算和可視化服務(wù)研究。

［1］蘇晏，黎康.衛(wèi)星編隊飛行相對軌道動力學(xué)模型的比較及選用［J］.空間控制技術(shù)與應(yīng)用，2010，36（4）：54-58.

［2］趙軍，蔡志勤，齊朝暉.基于平動點軌道的繩系衛(wèi)星編隊重構(gòu)仿真［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2011，23（12）：2805-2812.

［3］袁建平.航天器軌道機動動力學(xué)［M］.北京：中科院研究生院，2010.

［4］楊帆，崔祜濤，崔平遠(yuǎn).編隊飛行衛(wèi)星軌道的初步設(shè)計研究［J］.飛行力學(xué)，2005，23（2）：59-62.

［5］劉凱.基于相對軌道要素的衛(wèi)星編隊構(gòu)型重構(gòu)制導(dǎo)算法［J］.西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，25（3）：374-377.

Research on Impulse Method of Spacecraft Formation Reconfigurable Control Simulation

LIU Meng1，CHI Yun2，ZHANG De-yu1
（1.Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China；2.Liaoning Academy of Govemance，Shenyang 110161，china）

Spacecraft Formation reconstructed for visibility is not strong，proposes to impulse a spacecraft formation reconstructed visual simulation technology.Double pulse motor is the transfer of the spacecraft space near orbit that it needs two impulse maneuver.Application of the principle of relative motion between the spacecraft，space target orbit six elements as the objective function space target by adjusting the orbital parameters of the spacecraft formation reconfiguration，swing around the fly transferred to swing hanging around the fly，and then come to the transfer of spacecraft the swing hanging around fly formation to the basic relationship of the impulse required to achieve control of the spacecraft space target formations reconstruction.

double pulse motor，relative motion，formation reconfigurable，swing suspension

TP391.9

A

1002-0640（2015）03-0167-03

2014-01-16

2014-03-22

劉 猛（1977- ），男，遼寧營口人，碩士，高級實驗師。研究方向：嵌入式程序設(shè)計、分布式仿真技術(shù)。