一种用于精确观测的空间绳系编队状态智能感知方法技术

本发明专利技术公开了一种用于精确观测的空间绳系编队状态智能感知方法，包括以下步骤：步骤1、建立空间绳系编队的动力学模型；步骤2、选择传感器并建立观测模型；步骤3、使用一种基于学习的粒子滤波算法对空间绳系编队状态进行智能感知。本发明专利技术以一种以空间三体绳系编队系统为研究对象，对轨道平面外编队系统的状态感知问题开展研究。问题开展研究。问题开展研究。

【技术实现步骤摘要】
一种用于精确观测的空间绳系编队状态智能感知方法


[0001]本专利技术属于多航天器编队系统感知
，尤其涉及一种用于精确观测的空间绳系编队状态智能感知方法。

技术介绍

[0002]高分辨率目标成像在观测领域有着重要意义。空间分辨率是衡量观测系统性能的重要指标。根据瑞利判据可知，光学系统的分辨率受系统孔径和波长的限制，若想提高光学系统的分辨率，只能通过增大光学系统的孔径。然而在实际工程中，反射镜的单镜加工能力、运载火箭整流罩尺寸以及火箭发射重量等众多因素限制了光学系统空间的进一步增大。为解决上述难题，由多个小型航天器组成的微小卫星编队的概念被提出。在每个微小卫星上安装分布式传感器，并且在轨道上保持编队构型，可实现较大的观测孔径，同时发射前整个系统的尺寸和质量也不会过高。但是，多航天器编队飞行由于队形保持需要，燃料消耗过大、对轨道控制精度要求过高，大尺寸、长时间的空间编队飞行会受到燃料的限制。为了解决此问题，空间三体绳系编队的概念被提出，成为各国学者研究的热点。空间三体绳系编队是由三根柔性系绳将三颗卫星首尾连接构成的三角构型空间系统，整个编队在围绕地球进行公转的同时，还存在围绕自身质心的旋转，这样独特的构型使得系统可以依靠编队的自旋和系绳的作用力来减少系统运行时的控制困难，更好地维持完成空间任务所需的编队构型。与单个卫星系统相比，空间三体绳系编队在可靠性、观测范围、可重复利用率等方面优势显著。但是以空间三体绳系编队系统为研究对象，关于对轨道平面外编队系统的状态感知问题研究较少。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种用于精确观测的空间绳系编队状态智能感知方法，以一种以空间三体绳系编队系统为研究对象，对轨道平面外编队系统的状态感知问题开展研究。
[0004]本专利技术采用以下技术方案：一种用于精确观测的空间绳系编队状态智能感知方法，包括以下步骤：
[0005]步骤1、建立空间绳系编队的动力学模型；
[0006]步骤2、选择传感器并建立观测模型；
[0007]步骤3、使用一种基于学习的粒子滤波算法对空间绳系编队状态进行智能感知。
[0008]进一步的，步骤1的具体内容为：
[0009]步骤1.1、建立编队系统总动能T为：
[0010][0011]其中，μi表示系统中各卫星的质量系数，具体可表示为μ
i
＝m
i
/m,(i＝1,2,3)，其中，m＝m1+m2+m3表示系统总质量，轨道坐标系下各卫星质点的位置矢量r
i
；各卫星绝对速度
矢量v
i
，表示Ω的叉乘算子，Ω为编队系统绕地球的旋转角速度，R0表示地心惯性系下编队系统质心的位置矢量，卫星质量表示为mi,i＝1,2,3；ω0表示系统运行于围绕地球的圆轨道的恒定角速度；
[0012]轨道坐标系o
‑
xyz：原点o位于系统质心，x轴始终沿着地心指向系统质心的方向，y轴在轨道平面内垂直于x轴并指向系统前进的方向，z轴由右手坐标准则确定；
[0013]建立编队系统的系统势能V，其中系统势能V包括重力势能V1和弹性势能V2，
[0014]重力势能V1表示为：
[0015][0016]式中：μ
e
为引力常数，可表示为μ
e
＝ω
02
R
03
；R
i
为各卫星的位置矢量；x
i
,y
i
,z
i
表示轨道坐标系下卫星的位置矢量；
[0017]弹性势能V2表示为：
[0018][0019]式中：EA表示系绳的弹性刚度，由系绳的物理特性决定，其中E为系绳的弹性模量，A为系绳横截面积；l
0i
为系绳未发生形变时的长度；ε
i
表示系绳应变；l
i
,i＝1,2,3：表示连接第i颗卫星和第i+1颗卫星的各系绳相应的长度，其中l1表示连接卫星S1和卫星S2的系绳长度，l2表示连接卫星S2和卫星S3的系绳长度，l3表示m3和m1的系绳长度，l
0i
,i＝1,2,3为系绳未发生形变时的长度；e
i
,i＝1,2,3描述系绳只可拉伸不可压缩特性的系数；
[0020]步骤1.2、将系统动能T、系统势能V和广义外力代入拉格朗日方程，得空间绳系编队的动力学模型为：
[0021][0022]式中：q＝[l
1 l
2 θ
1 θ
2 α β]T
∈R6为广义坐标；表示广义坐标q的一阶导数；表示广义坐标q的二阶导数；矩阵M(q)是对称矩阵，广义外力Q
q
∈R6的具体表达式为：
[0023]进一步的，步骤2的具体内容为：
[0024]步骤2.1、在每个节点卫星上安装有陀螺和系绳释放机构用于得到各卫星的角速度及卫星间距离信息；建立空间绳系编队系统的陀螺测量模型为：
[0025]U＝ω
bi
+b
g
+b
θ
+v
θ
，
[0026]式中：U＝[ω
1m ω
2m ω
3m
]T
∈R9表示陀螺测量值；ω
bi
∈R9表示轨道面外卫星相对地心惯性系的姿态角速度；b
g
∈R9—为陀螺常值漂移；表示陀螺测量时间相关漂移；v
θ
表示为陀螺测量过程中的零均值白噪声；
[0027]步骤2.2、建立空间绳系编队系统的状态方程为：
[0028][0029]式中：f(X
k
‑1)为状态方程函数，其具体表达式为：
[0030][0031]其中，W
k
‑1∈R
21
为噪声向量；
[0032]步骤2.3、基于陀螺测量得到的卫星角速度信息和系绳释放机构测量得到的系绳长度信息建立空间绳系编队系统的观测方程为：
[0033]Z
k
＝h(X
k
)+V
k
；
[0034]式中：Z
k
＝[l
im ω
im
]T
∈R
12
表示传感器观测向量，其中系绳释放机构测量得到的星间距向量为l
im
＝[l
1m l
2m l
3m
]T
，陀螺测量得到的角速度向量为ω
mi
＝[ω
mxi ω
myi ω
mzi
]T
；V
k
表示测量过程的噪声向量，可表示为V
k
＝[v
l v
θ
]T
∈R6；，其中，前三维vl＝[v
1 v
2 v3]T
表示系绳释放机构测量噪声，后九本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于精确观测的空间绳系编队状态智能感知方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、建立空间绳系编队的动力学模型；步骤2、选择传感器并建立观测模型；步骤3、使用一种基于学习的粒子滤波算法对空间绳系编队状态进行智能感知。2.如权利要求1所述的一种用于精确观测的空间绳系编队状态智能感知方法，其特征在于，所述步骤1的具体内容为：步骤1.1、建立编队系统总动能T为：其中，μ
i
表示系统中各卫星的质量系数，具体可表示为μ
i
＝m
i
/m,(i＝1,2,3)，其中，m＝m1+m2+m3表示系统总质量，轨道坐标系下各卫星质点的位置矢量r
i
；各卫星绝对速度矢量v
i
，表示Ω的叉乘算子，Ω为编队系统绕地球的旋转角速度，R0表示地心惯性系下编队系统质心的位置矢量，卫星质量表示为m
i
,i＝1,2,3；ω0表示系统运行于围绕地球的圆轨道的恒定角速度；轨道坐标系o
‑
xyz：原点o位于系统质心，x轴始终沿着地心指向系统质心的方向，y轴在轨道平面内垂直于x轴并指向系统前进的方向，z轴由右手坐标准则确定；建立编队系统的系统势能V，其中系统势能V包括重力势能V1和弹性势能V2，重力势能V1表示为：式中：μ
e
为引力常数，可表示为μ
e
＝ω
02
R
03
；R
i
为各卫星的位置矢量；x
i
,y
i
,z
i
表示轨道坐标系下卫星的位置矢量；弹性势能V2表示为：式中：EA表示系绳的弹性刚度，由系绳的物理特性决定，其中E为系绳的弹性模量，A为系绳横截面积；l
0i
为系绳未发生形变时的长度；ε
i
表示系绳应变；l
i
,i＝1,2,3：表示连接第i颗卫星和第i+1颗卫星的各系绳相应的长度，其中l1表示连接卫星S1和卫星S2的系绳长度，l2表示连接卫星S2和卫星S3的系绳长度，l3表示m3和m1的系绳长度，l
0i
,i＝1,2,3为系绳未发生形变时的长度；e
i
,i＝1,2,3描述系绳只可拉伸不可压缩特性的系数；步骤1.2、将系统动能T、系统势能V和广义外力代入拉格朗日方程，得空间绳系编队的动力学模型为：式中：q＝[l
1 l
2 θ
1 θ
2 α β]
T
∈R6为广义坐标；表示广义坐标q的一阶导数；表示广义坐标q的二阶导数；矩阵M(q)是对称矩阵，广义外力Q
q
∈R6的具体表达式为：3.如权利要求1所述的一种用于精确观测的空间绳系编队状态智能感知方法，其特征在于，所述步骤2的具体内容为：
步骤2.1、在每个节点卫星上安装有陀螺和系绳释放机构用于得到各卫星的角速度及卫星间距离信息；建立空间绳系编队系统的陀螺测量模型为：U＝ω
bi
+b
g
+b
θ
+v
θ
，式中：U＝[ω
1m ω
2m ω
3m
]
T
∈R9表示陀螺测量值；ω
bi
∈R9表示轨道面外卫星相对地心惯性系的姿态角速...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄攀峰，方国涛，张夷斋，张帆，沈刚辉，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：