一种基于Tau理论的组合体消旋与再定向轨迹规划方法技术

本发明专利技术提供了一种基于Tau理论的组合体消旋与再定向轨迹规划方法，属于航天器姿态动力学领域，针对高面质比航天器在轨运行时会受到多种摄动因素影响的特点，分别对姿态消旋和姿态再定向两个过程进行分析，然后基于Tau理论对这两个过程分别进行轨迹规划，以力矩输出构造目标函数，对消旋过程中的力矩输出进行优化。本发明专利技术所提供的方法是一种仿生学方法，它是对自然界的动物在经过成千上万年不断优化所形成的本能运动的归纳和总结，具备一定的最优性。同时该方法不仅能够用于航天器的消旋和再定向过程，还可以用于航天器的交会制导过程中。

A method based on Tau theory for trajectory planning of combination and reorientation

The present invention provides a combination of theory and the orientation of DL Tau trajectory planning method based on spacecraft attitude dynamics, belonging to the field of the high surface quality than spacecraft on orbit will be a variety of Photo Features of dynamic factors, attitude and attitude respectively on the orientation of two racemic process analysis and Tau theory respectively. To the trajectory planning based on the two processes, to construct the objective function of the output torque, output torque in the process of optimization of dl. The method provided by the invention is a bionics method, which sums up and summarizes the natural movements formed by the continuous optimization of animals in nature for thousands of years, and has certain optimality. Moreover, the method can be used not only for the process of racemization and reorientation of spacecraft, but also for the guidance of spacecraft during rendezvous and guidance.

【技术实现步骤摘要】
一种基于Tau理论的组合体消旋与再定向轨迹规划方法
本专利技术涉及一种组合体消旋与再定向轨迹规划方法，属于航天器姿态动力学领域。
技术介绍
随着人类空间活动的不断增加以及空间技术的不断发展，保证航天器在轨长期稳定运行已成为当前亟待解决的重要问题。在这种情况下，在轨服务技术作为延长空间航天器寿命、维护太空安全的关键技术，将成为未来空间技术的研究热点。空间在轨服务的目标包括了失效航天器以及太空碎片，这些目标通常表现出非合作性，即没有用于服务航天器测量的合作标志器和对接的装置，对此类航天器的在轨服务已成为一个新的、独立的研究方向。考虑到空间在轨服务技术在维护空间安全、节约发射成本以及提高太空军事能力等方面所表现出的极大适应性，该项技术引起了世界各航天大国的关注。以美国、俄罗斯、欧洲以及日本为代表的航天大国早就开始了空间自主在轨服务技术的研究与试验，包括轨道快车计划、工程试验卫星-VII以及试验卫星系统等在内的多个计划都是对空间在轨服务技术的验证与试验。目前，已经有许多学者对空间在轨服务过程中的多个关键技术展开了研究。对现有的研究成果进行分析对比就会发现，当前的研究主要集中在以下几个方面：1)对非合作目标的参数辨识及三维重构，由于非合作目标通常不能向服务航天器提供自身的位姿状态以及质量惯量参数信息，因此就需要服务航天器利用自身所携带的设备对目标航天器进行测量，通过各种算法对非合作目标的参数信息进行辨识，从而实现对非合作目标的三维重构；2)自主安全交会路径的规划，由于非合作目标受空间各种摄动力的影响，通常处于自由翻滚状态，因此为了实现和非合作目标的安全对接，就需要规划一条能够实现碰撞规避等复杂约束的交会路径；3)抓捕后组合体的接管控制，由于非合作目标的质量惯量信息不能精确已知同时处于翻滚状态，因此就需要设计各种控制器实现抓捕后组合体的稳定控制。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种基于Tau理论的仿生轨迹规划方法，对组合体进行消旋和再定向轨迹规划。Tau理论指的是即将接触时间(time-to-contact，TTC)可以直接从人和动物的视觉系统中提取出来。Tau理论是一种仿生学理论，学者LEE在试验中录下塘鹅捕鱼的录像，分析发现塘鹅可以利用Tau线索精确地控制捕鱼过程。随后，LEE等在2010年提出了广义Tau理论，他认为Tau变量可以用来指导人和动物的一切运动。本专利技术将Tau理论这一研究成果应用于组合体的消旋与再定向过程中，同时通过对耦合因子进行寻优，从而降低过程中的力矩输出，并通过仿真分析证明其有效性。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：步骤一，服务航天器成功抓捕空间非合作目标后，两者构成的组合体在空间自由翻滚，初始时刻组合体的角动量矢量式中表示初始时刻角动量在惯性系中的三个分量，通过服务航天器上的测量装置得到；角动量间隔的变化表示为式中分别表示角动量沿惯性坐标系x,y,z轴方向的三个分量随时间t的变化函数，Tg表示规定的消旋时间，kxg,kyg,kzg分别表示沿三个分量方向的耦合因子，取值范围为(0,1)；计算控制力矩沿惯性坐标系x,y,z轴方向的三个分量随时间t的变化函数得到在本体坐标系中表示的控制力矩惯性坐标系到本体坐标系的转化矩阵表示组合体本体相对于惯性系的姿态四元数；步骤二，以消旋过程中的力矩输出为目标函数得到对应于能量消耗最小的耦合因子kxg,kyg,kzg，在规定时间内实现姿态消旋；步骤三，通过组合体上所携带的测量装置对消旋完成后的姿态信息进行测量，组合体消旋前后的姿态转换矩阵为从初始姿态到目标姿态的旋转轴的单位矢量，θ为从初始姿态到目标姿态的总转角，式中I3表示三阶单位矩阵，表示相对于旋转轴的斜对角矩阵；根据Tau-g导引策略得到转角间隔的变化式中kCg表示转角间距的耦合因子，0＜kCg＜0.5；组合体相对于初始姿态的方向余弦矩阵的变化过程表示为本专利技术的有益效果是：与传统的规划方法不同，本文提出了一种基于Tau理论的航天器姿态消旋和再定向轨迹规划方法。Tau理论是一种仿生的理论，它是对自然界中的鸟类等动物经过成千上万年的自然演化和不断优化所形成的本能运动的归纳和总结。基于Tau理论的航天器姿态消旋和再定向轨迹规划方法，可以利用仿生的方法实现对航天器姿态的快速消旋和再定向，并且具备一定的最优性。附图说明图1是本专利技术的流程图；图2是消旋过程中组合体角动量的变化曲线图；图3是消旋过程中组合体角速度的变化曲线图；图4是消旋过程中姿态四元数的变化曲线图；图5是消旋过程中控制力矩的输出曲线图；图6是再定向过程中欧拉转角的变化曲线图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明，本专利技术包括但不仅限于下述实施例。本专利技术针对组合体的姿态消旋和再定向问题提出了一种基于Tau理论的轨迹规划方法，通过对Tau变量的选择实现对组合体消旋和再定向过程的规划。本专利技术的流程如图1所示，包括以下步骤：步骤一、通过组合体上携带的测量仪器确定组合体的角动量分布，然后基于内部Tau-g引导策略规划组合体的消旋路径当服务航天器成功抓捕空间非合作目标后，两者构成一个整体，本专利技术假设抓捕后两者之间不存在相对运动，于是就可以将它们视为一个统一的刚体。由于初始时刻组合体在空间自由翻滚，于是由角动量守恒定理可得式中表示初始时刻组合体的角动量矢量，表示初始时刻角动量在惯性系中的三个分量。由于服务卫星携带有足够的传感器可以用来测量自身的姿态信息，于是当服务航天器与目标组合为一个整体后，可以通过服务航天器上的测量装置得到组合体的姿态信息，然后计算得到组合体的角动量分布情况，即的大小。为了对组合体进行规定时间Tg内的消旋，则要求在Tg时刻组合体的角动量变为零。根据内部Tau-g引导策略可知，角动量间隔的变化可以表示为式中以及分别表示角动量沿惯性坐标系x,y,z轴方向的三个分量随时间t的变化函数，Tg表示规定的消旋时间，kxg,kyg,kzg分别表示沿三个分量方向的耦合因子。由动量矩定理可得式中表示作用在组合体上的控制力矩。于是可得式中以及表示控制力矩沿惯性坐标系x,y,z轴方向的三个分量随时间t的变化函数。在实际消旋过程中，控制力矩是在组合体本体坐标系中施加的，因此需要将控制力矩转化到本体坐标系中。具体转化方式如下由惯性坐标系到本体坐标系的转化矩阵可以表示为其中表示组合体本体相对于惯性系的姿态四元数。又由角动量定理可知，在消旋过程中组合体的姿态角速度为式中表示组合体的姿态角速度在本体坐标系下的表示。于是以四元数表示的转动运动学方程为式中表示组合体角速度在本体系中的三个分量。于是就可以得到在本体坐标系中表示的控制力矩步骤二、以消旋过程中的力矩输出为目标函数，选择最优的Tau-g耦合因子，实现输出力矩最小，最终完成在规定时间内实现姿态消旋由内部Tau-g引导策略可知(以间隔为例)，kxg角动量间距的影响如下●当kxg＞1时，会趋向于无穷，的导数也会趋向于无穷。●当kxg＝1时，会趋向于零，的导数也会趋向于●当0＜kxg＜1时，会趋向于零，的导数也会趋向于零。●当kxg＜0时，会趋向于无穷，的导数也会趋向于无穷。由于角动量的导数对应着输入力矩，而航天器上的力矩输出是有限的，因此为了对组合体进行合理的消旋，耦合因子k本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于Tau理论的组合体消旋与再定向轨迹规划方法，其特征在于包括下述步骤：步骤一，服务航天器成功抓捕空间非合作目标后，两者构成的组合体在空间自由翻滚，初始时刻组合体的角动量矢量

【技术特征摘要】
1.一种基于Tau理论的组合体消旋与再定向轨迹规划方法，其特征在于包括下述步骤：步骤一，服务航天器成功抓捕空间非合作目标后，两者构成的组合体在空间自由翻滚，初始时刻组合体的角动量矢量式中表示初始时刻角动量在惯性系中的三个分量，通过服务航天器上的测量装置得到；角动量间隔的变化表示为式中分别表示角动量沿惯性坐标系x,y,z轴方向的三个分量随时间t的变化函数，Tg表示规定的消旋时间，kxg,kyg,kzg分别表示沿三个分量方向的耦合因子，取值范围为(0,1)；计算控制力矩沿惯性坐标系x,y,z轴方向的三个分量随时间t的变化函数得到在本体坐标系中表示的控制力矩惯性...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁建平，李琪，岳晓奎，宁昕，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61