微纳卫星集群捕获空间非合作目标的贴附消旋与轨控方法技术

本发明专利技术公开了一种微纳卫星集群捕获空间非合作目标的贴附消旋与轨控方法。所述微纳卫星集群包括母星、视星子群和工星子群；所述母星，用于为贴附消旋与轨控过程提供相对导航解算和控制指令生成；所述视星子群，用于为贴附消旋与轨控过程提供所需的目标三维建模与相对状态测量信息；所述工星子群，用于执行对非合作目标的贴附消旋与轨控；工星子群包括两颗以上的工星；工星安装了轨道控制模块、姿态控制模块、星间无线通信模块和保证微纳卫星在轨正常工作的设备；工星通过星间无线通信从母星获取控制指令并实现对目标特定表面的贴附。微纳卫星研制成本低廉，适应小型运载火箭快速或机动发射，大大提高了空间非合作目标捕获的快速响应性。

Attachment raceway and orbit control method for micro / nano satellite cluster to capture non cooperative targets in space

The invention discloses an attachment raceway and orbit control method for micro nano satellite cluster to capture space non cooperative targets. The micro / nano satellite cluster includes a parent satellite, a visible satellite sub cluster and an industrial satellite sub cluster; the parent satellite is used to provide relative navigation solution and control instruction generation for the attachment and orbit control process; the visible satellite sub cluster is used to provide the required three-dimensional modeling and relative state measurement information for the attachment and orbit control process; the industrial satellite sub cluster is used to perform the attachment of non cooperative targets There are two or more industrial satellites in the industrial satellite cluster. The industrial satellite is equipped with orbit control module, attitude control module, inter satellite wireless communication module and equipment to ensure the normal operation of micro / nano satellite in orbit. The industrial satellite obtains control instructions from the parent satellite through inter satellite wireless communication and realizes the attachment to the specific surface of the target. The development cost of microsatellites is low, which adapts to the fast or mobile launch of small launch vehicles, and greatly improves the fast response of space non cooperative target acquisition.

【技术实现步骤摘要】
微纳卫星集群捕获空间非合作目标的贴附消旋与轨控方法
本专利技术涉及航空航天
，尤其涉及一种微纳卫星集群捕获空间非合作目标的贴附消旋与轨控方法。
技术介绍
非合作目标捕获是现有空间技术的一个重要方向。目前提出的捕获方案都是基于大型航天器携带复杂捕获设备的方案，具有单点失效的风险。为解决这个问题，一种基于微纳卫星集群的分布式捕获方案应运而生。基于微纳卫星集群的空间非合作目标捕获系统包含母星、视星子群和工星子群三大部分。其中，母星是一颗质量和尺寸均较大的功能完整的航天器，用于指挥视星子群与工星子群执行非合作目标的观测与捕获任务。视星子群包含两个以上的微纳卫星，称作视星，主要执行空间非合作目标的抵近观测与三维成像。工星子群包含两个以上的微纳卫星，称作工星，主要执行空间非合作目标的捕获任务。视星和工星均采用立方体卫星技术构建，其尺寸和重量位于微纳级别，即1U到10U之间的大小，形状为立方体或长方体。其中1U为大小10cm×10cm×10cm、重量约1kg的单元。空间非合作目标一般处于失控状态，其姿态不停翻滚，其轨道随空间环境力摄动随机漂移。为实现对空间非合作目标的捕获，工星子群中的多个工星需要协同完成非合作目标的姿态消旋和轨道控制。由于非合作目标不存在对接机构，各工星也无机械臂可用，因此无法采用传统的交会对接或机械臂抓取方法实现上述目的。工星具有独立的轨道和姿态控制能力，且其在接触非合作目标表面的基础上可以将轨道控制力传递给对方。但单独的工星所产生的轨道控制力量级太小，无法对非合作目标进行有效控制，且单个工星也无法产生控制力矩以影响非合作目标的姿态。因此，若能找到一种方法将多个工星的轨道控制力进行累积，并通过合理搭配形成力矩，则有望通过多个工星的协同产生足够的控制力和力矩，进而实现非合作目标的姿态消旋和轨道控制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种微纳卫星集群捕获空间非合作目标的贴附消旋与轨控方法，从而解决现有技术中存在的前述问题；该方法从而大大降低了非合作目标捕获系统的复杂度。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种微纳卫星集群捕获空间非合作目标的贴附消旋与轨控方法，所述微纳卫星集群包括母星、视星子群和工星子群；所述母星，用于为贴附消旋与轨控过程提供相对导航解算和控制指令生成；所述视星子群，用于为贴附消旋与轨控过程提供所需的目标三维建模与相对状态测量信息；所述工星子群，用于执行对非合作目标的贴附消旋与轨控；工星子群包括两颗以上的工星；工星安装了轨道控制模块、姿态控制模块、星间无线通信模块和保证工星在轨正常工作的设备；工星通过星间无线通信从母星获取控制指令并实现对目标特定表面的贴附；贴附消旋与轨控方法包括以下步骤：微纳卫星集群中的各个工星通过贴附在非合作目标的可贴附表面上进行对后者的姿态及轨道接管控制；当多个工星贴附在非合作目标的各个表面上后，通过一对工星的轨道控制模块沿相反方向施加的推力形成力偶，产生对非合作目标的合力矩；通过合力矩实现对非合作目标的姿态消旋、姿态稳定及姿态调整；当非合作目标的姿态翻滚得到消旋后，各工星可进一步通过自身携带的轨道控制模块联合发力，产生对非合作目标的合力，该合力可用于非合作目标的轨道控制。姿态及轨道接管控制具体步骤如下：各微纳卫星的轨道推力方向使其不通过目标质心，从而形成对非合作目标的姿态控制力矩；使得多个微纳卫星对非合作目标产生的合力矩沿着非合作目标姿态旋转的反方向，从而使得非合作目标的旋转运动逐渐减速并最终保持静止，达成消旋的目的；和/或，各微纳卫星的轨道推力方向使其通过目标质心，从而形成对非合作目标的轨道控制力；和/或，使得多个微纳卫星对非合作目标产生的合力沿着期望非合作目标轨道改变的方向，从而实现非合作目标轨道控制的目的；工星子群中各工星在完成非合作目标姿态消旋和轨道控制任务后，能够快速安全撤离非合作目标，并转移至其它地方开展新的任务。所述工星设置有一个面或多个面用于贴附非合作目标。所述工星子群中贴附在非合作目标上的工星的数量是根据非合作目标的大小和可贴附表面的形状确定的。所述工星的轨道控制模块用于控制工星按照计算出的轨道机动路线抵近非合作目标的待贴附表面附近；所述工星的姿态控制模块主要用来控制工星按照计算出的目标姿态将其姿态调整至其贴附表面与非合作目标待贴附表面平行的状态。所述工星两两配对，贴附于非合作目标的相对表面上，两两配对的工星通过产生方向相反的推力形成对非合作目标的一个合力偶，多个两两配对的工星产生的合力矩能够提供用于非合作目标消旋的总力矩，在此模式下，微纳卫星集群不产生合力。同一个非合作目标表面上的工星通过产生相同方向的推力形成对非合作目标的合力，该合力用于非合作目标轨道控制。本专利技术的有益效果是：本专利技术的系统通过贴附目标表面的方式，可有效将各工星的轨道控制力传递给非合作目标，并通过多个工星之间的配合产生期望的控制力和控制力矩，这种方法避免了复杂空间运动部件(例如飞网、鱼叉及机械臂)的使用，从而大大降低了非合作目标捕获系统的复杂度。微纳卫星研制成本低廉，适应小型运载火箭快速或机动发射，大大提高了空间非合作目标捕获的快速响应性。进一步，本专利技术的贴附方式是一种无损伤的传递力和力矩的方式，当完成捕获任务后，各微纳卫星可在补充燃料或电量的基础上再次使用，因而降低了任务执行成本。本专利技术集群包含了两个以上基于立方体卫星技术构成的微纳卫星，微纳卫星一个或多个表面可在非合作目标表面的可贴附部位进行附着；所述微纳卫星通过姿态控制匹配自身与非合作目标的姿态，从而确保紧密贴附在目标表面；设计各微纳卫星的轨道推力方向使其不通过目标质心，从而形成对非合作目标的姿态控制力矩；设计使得多个微纳卫星对非合作目标产生的合力矩沿着非合作目标姿态旋转的反方向，从而使得非合作目标的旋转运动逐渐减速并最终保持静止，达成消旋的目的；设计各微纳卫星的轨道推力方向使其通过目标质心，从而形成对非合作目标的轨道控制力；设计使得多个微纳卫星对非合作目标产生的合力沿着期望非合作目标轨道改变的方向，从而实现非合作目标轨道控制的目的。微纳卫星研制成本低廉，适应小型运载火箭快速或机动发射，大大提高了空间非合作目标捕获的快速响应性。进一步，微纳卫星集群中有限个工星或视星故障或失效后，剩余子群仍能通过有效配合实现对非合作目标的贴附消旋与轨控，因而大大提高了任务执行的可靠性和鲁棒性。附图说明图1是本专利技术的微纳卫星集群捕获空间非合作目标的贴附消旋与轨控方法示意图；图2是本专利技术的微纳卫星结构示意图；图3是本专利技术的微纳卫星集群协同实现非合作目标姿态消旋的示意图；图4是本专利技术的非合作目标在z方向的姿态角、角速度以及控制力矩变化曲线一；图5是本专利技术的非合作目标在z方向的姿态角、角速度以及控制力矩变化曲线二；图6是本专利技术的非合作目标在z方向的姿态角、角速度以及控制力矩变化曲线三。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微纳卫星集群捕获空间非合作目标的贴附消旋与轨控方法，其特征在于，所述微纳卫星集群包括母星、视星子群和工星子群；/n所述母星，用于为贴附消旋与轨控过程提供相对导航解算和控制指令生成；/n所述视星子群，用于为贴附消旋与轨控过程提供所需的目标三维建模与相对状态测量信息；/n所述工星子群，用于执行对非合作目标的贴附消旋与轨控；工星子群包括两颗以上的工星；工星安装了轨道控制模块、姿态控制模块、星间无线通信模块和保证工星在轨正常工作的设备；工星通过星间无线通信从母星获取控制指令并实现对目标特定表面的贴附；/n贴附消旋与轨控方法包括以下步骤：/n微纳卫星集群中的各个工星通过贴附在非合作目标的可贴附表面上进行对后者的姿态及轨道接管控制；/n当多个工星贴附在非合作目标的各个表面上后，通过一对工星的轨道控制模块沿相反方向施加的推力形成力偶，产生对非合作目标的合力矩；通过合力矩实现对非合作目标的姿态消旋、姿态稳定及姿态调整；/n当非合作目标的姿态翻滚得到消旋后，各工星可进一步通过自身携带的轨道控制模块联合发力，产生对非合作目标的合力，该合力可用于非合作目标的轨道控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种微纳卫星集群捕获空间非合作目标的贴附消旋与轨控方法，其特征在于，所述微纳卫星集群包括母星、视星子群和工星子群；
所述母星，用于为贴附消旋与轨控过程提供相对导航解算和控制指令生成；
所述视星子群，用于为贴附消旋与轨控过程提供所需的目标三维建模与相对状态测量信息；
所述工星子群，用于执行对非合作目标的贴附消旋与轨控；工星子群包括两颗以上的工星；工星安装了轨道控制模块、姿态控制模块、星间无线通信模块和保证工星在轨正常工作的设备；工星通过星间无线通信从母星获取控制指令并实现对目标特定表面的贴附；
贴附消旋与轨控方法包括以下步骤：
微纳卫星集群中的各个工星通过贴附在非合作目标的可贴附表面上进行对后者的姿态及轨道接管控制；
当多个工星贴附在非合作目标的各个表面上后，通过一对工星的轨道控制模块沿相反方向施加的推力形成力偶，产生对非合作目标的合力矩；通过合力矩实现对非合作目标的姿态消旋、姿态稳定及姿态调整；
当非合作目标的姿态翻滚得到消旋后，各工星可进一步通过自身携带的轨道控制模块联合发力，产生对非合作目标的合力，该合力可用于非合作目标的轨道控制。


2.根据权利要求1所述的微纳卫星集群捕获空间非合作目标的贴附消旋与轨控方法，其特征在于，姿态及轨道接管控制具体步骤如下：
各微纳卫星的轨道推力方向使其不通过目标质心，从而形成对非合作目标的姿态控制力矩；
使得多个微纳卫星对非合作目标产生的合力矩沿着非合作目标姿态旋转的反方向，从而使得非合作目标的旋转运动逐渐减速并最终保持静止，达成消旋的目的；
和/或，各微纳卫星的轨道推力方向使其通过目标质心，从而形成对非合作目标的轨道控制力；
和/或，...

【专利技术属性】
技术研发人员：党朝辉，周昊，罗建军，王明明，马卫华，孙冲，孙军，刘传凯，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61