一种多航天器交会轨位区间确定方法技术

本发明专利技术公开的一种多航天器交会轨位区间确定方法，属于航空航天技术领域。本发明专利技术实现方法为：根据任务规模和航天器母船的承载能力，设定航天器母船所能携带子飞行器的最大数量。设定航天器母船的部署轨道高度，建立航天器母船释放的子飞行器与目标航天器交会的Lambert问题，根据子飞行器的速度增量能力解得子飞行器可交会范围边界，构建以轨道面夹角为输入、子飞行器可交会范围边界为输出的子飞行器交会范围数据库。利用子飞行器交会范围数据库插值计算单个航天器母船携带的所有子飞行器的最小交会转移相位范围，确定航天器母船覆盖的初始部署轨位区间。重复以上确定航天器母船部署范围的过程，直至所有目标航天器均已确定对应的航天器母船轨位区间。确定对应的航天器母船轨位区间。确定对应的航天器母船轨位区间。

【技术实现步骤摘要】
一种多航天器交会轨位区间确定方法


[0001]本专利技术涉及一种多航天器交会的轨位区间确定方法，尤其涉及适用于能够释放多个子航天器与多个目标分别交会的航天器母船的部署轨位区间确定，属于航空航天


技术介绍

[0002]初始轨位区间确定技术在航天器多目标交会任务中有着重要意义，其不仅为每个任务航天器给出了能够实现交会对接的位置区间，同时也能评估完成多目标交会任务所需的航天器总数，是保证任务顺利完成的关键。当前多目标交会任务规划技术主要面向的对象为具有多次转移机动能力的任务飞行器，对航天器母船释放多个子飞行器分别完成多目标交会的任务场景研究较少，但随着潜在任务目标数量的持续增长和小卫星技术的发展成熟，由母船同时释放多个子飞行器完成对多目标的交会或飞掠将成为未来多目标任务的趋势。此外，相较于传统的给出最优部署位置，将满足交会约束条件全部位置以轨位区间的形式给出，更有利于工程实践。基于此，本专利针对航天器母船同时释放多子飞行器交会多个目标的任务规划问题，提出一种多航天器交会轨位区间确定方法，不仅能实现航天器母船的初始部署位置确定，还能根据子飞行器的能力评估在多目标场景下所需航天器母船的数量，满足更多航天器在轨服务任务需求。
[0003]在已发展的关于航天器交会任务初始部署位置确定方法中，先技术[1](参见：朱啸宇,乔兵,张庆展,靳永强,谭迎龙.圆轨道航天器在轨加注任务空间燃料站部署问题[J].中国空间科学技术,2017,37(03):35
‑
43.)给出了一种基于聚类分析的在轨加注任务调度及优化算法，采用免疫遗传算法对加注任务调度空间燃料站给出了参考选址位置，但该方法无法以可行区间的形式给出选址位置的范围，为实际部署带来了难度。

技术实现思路

[0004]本专利技术公开的一种多航天器交会轨位区间确定方法要解决的技术问题是：对轨道高度处在一定范围、轨道倾角较为接近的任意数量目标航天器，以多个航天器母船再分别携带多个子飞行器的任务形式依次进行交会，通过规划给出所需航天器母船的数量，并确定交会任务中每个航天器母船的初始部署位置范围；具有如下优点：(1)航天器母船携带子飞行器的任务模式能够兼顾多目标覆盖性和经济性；(2)以轨位区间的形式给出航天器母船的初始位置范围，具有更强的灵活性，规划效率高；(3)适用范围高，适用于轨道高度在某一范围且轨道倾角接近的多目标航天器交会任务规划。
[0005]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：
[0006]本专利技术公开的一种多航天器交会轨位区间确定方法，选取在某一标称轨道附近，且轨道面间夹角较小的任意数量航天器为目标，以航天器母船到达部署位置后同时释放多个子飞行器并使其同时与目标航天器交会为任务模式，根据任务规模和航天器母船的承载能力，设定航天器母船所能携带子飞行器的最大数量。根据实际任务要求设定航天器母船
的部署轨道高度，建立航天器母船释放的子飞行器与目标航天器交会的Lambert问题，根据子飞行器的速度增量能力解得子飞行器可交会范围边界，构建以轨道面夹角为输入、子飞行器可交会范围边界为输出的子飞行器交会范围数据库。利用子飞行器交会范围数据库插值计算单个航天器母船携带的所有子飞行器的最小交会转移相位范围，进而确定航天器母船能够覆盖的初始部署轨位区间。重复以上确定航天器母船部署范围的过程，直至所有目标航天器均已确定对应的航天器母船轨位区间，即实现多航天器交会轨位区间确定。
[0007]本专利技术公开的一种多航天器交会的轨位区间确定方法，包括如下步骤：
[0008]步骤一：以经典轨道根数描述目标航天器所在位置，选取的目标航天器应近似处在同一圆轨道上，即满足所有目标航天器均在某一标称轨道高度附近，且任意目标航天器间的轨道面夹角较小。根据任务规模和航天器母船的承载能力，设定航天器母船所能携带子飞行器的最大数量。以航天器母船到达部署位置后同时释放多个子飞行器并使其同时与目标航天器交会为任务模式，在后续步骤中规划出完成所有目标航天器交会所需的航天器母船数量，并相应确定每个航天器母船的初始部署轨位区间。
[0009]以经典轨道根数描述目标航天器的位置，获取所有目标的轨道根数及历元时刻，将目标航天器的个数记作N
max
。单个航天器母船最多能携带的子飞行器个数记作n
max
，航天器母船携带的每个子飞行器速度增量相等，记作Δv
max
，单个子飞行器的最大转移时间与任务时间约束相等，记作tof
max
。作为优选，所选取的目标航天器任意两两轨道面夹角应在8
°
以内。
[0010]步骤二：根据实际任务要求设定航天器母船的部署轨道高度，建立航天器母船释放的子飞行器与目标航天器的交会问题。结合子飞行器与目标航天器间的轨道面夹角，求解子飞行器与目标航天器交会的Lambert问题，再根据子飞行器的速度增量能力解得子飞行器可交会范围边界，构建以轨道面夹角为输入、子飞行器可交会范围边界为输出的子飞行器交会范围数据库。由于表征目标航天器位置时，在以标称轨道的基础上又考虑了轨道面夹角，能够提高后续步骤中航天器母船初始部署轨位区间确定的精度。此外，子飞行器交会范围数据库为预先离线构建，能够提高后续步骤三至五航天器母船初始部署轨位区间确定时的计算效率。
[0011]步骤2.1：在最大转移时间下遍历求解不同相位差和轨道面夹角下的交会所需速度增量，获得转移相位差、轨道面夹角和转移速度增量之间的对应关系。
[0012]在
‑
180～180
°
范围内离散相位差，记作δ
p
，在0～8
°
范围内离散轨道面夹角，记作δ
i
。构建航天器交会的Lambert问题：
[0013]Δv＝Lambert(tof
max
,δ
i
,δ
p
)
ꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0014]作为优选，选用Gauss算法求解航天器交会的Lambert问题。在给定轨道夹角δ
i
时，通过带入不同的相位差δ
p
反复求解式(1)，得到在当前飞行器高度和最大交会时间约束下的相位差、轨道面夹角与速度增量的对应关系，用函数f(
·
)表示如下：
[0015]Δv＝f(δ
p
,δ
i
)
ꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0016]步骤2.2：根据子飞行器速度增量约束，构建方程并求解得到子飞行器可交会相位范围的边界值，构建以轨道面夹角为输入、子飞行器可交会范围边界为输出的子飞行器交会范围数据库。
[0017]将子飞行器的速度增量Δv
max
带入步骤2.1中得到的转移相位差、轨道面夹角和转
移速度增量对应关系，得到如下方程：
[0018]Δv
max
＝f(δ
p
,δ
i
)...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多航天器交会的轨位区间确定方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：以经典轨道根数描述目标航天器所在位置，选取的目标航天器应近似处在同一圆轨道上，即满足所有目标航天器均在某一标称轨道高度附近，且任意目标航天器间的轨道面夹角较小；根据任务规模和航天器母船的承载能力，设定航天器母船所能携带子飞行器的最大数量；以航天器母船到达部署位置后同时释放多个子飞行器并使其同时与目标航天器交会为任务模式，在后续步骤中规划出完成所有目标航天器交会所需的航天器母船数量，并相应确定每个航天器母船的初始部署轨位区间；步骤二：根据实际任务要求设定航天器母船的部署轨道高度，建立航天器母船释放的子飞行器与目标航天器的交会问题；结合子飞行器与目标航天器间的轨道面夹角，求解子飞行器与目标航天器交会的Lambert问题，再根据子飞行器的速度增量能力解得子飞行器可交会范围边界，构建以轨道面夹角为输入、子飞行器可交会范围边界为输出的子飞行器交会范围数据库；由于表征目标航天器位置时，在以标称轨道的基础上又考虑了轨道面夹角，能够提高后续步骤中航天器母船初始部署轨位区间确定的精度；此外，子飞行器交会范围数据库为预先离线构建，能够提高后续步骤三至五航天器母船初始部署轨位区间确定时的计算效率；步骤三：将目标航天器的实际位置沿地心连线方向投影到标称轨道上，得到目标航天器在标称轨道上的相对相位，建立包含所有目标航天器轨道根数和相对相位的目标池，并按照航天器相对相位升序排序；根据实际任务要求设定航天器母船的部署轨道高度，并将航天器母船的轨道倾角设置为目标航天器的标称轨道倾角；按照单个航天器母船所能携带的子飞行器数量，选定目标池中相应数量的目标航天器，利用步骤二中建立的子飞行器交会范围数据库，插值计算每个子飞行器在其与目标航天器轨道面夹角下的可交会范围；由于使用标称轨道和相对相位表示目标航天器位置，相较于使用轨道根数描述，能够在保证较高精度的前提下减少描述问题所需的变量个数，提高轨位区间确定的计算效率；此外，通过数据库插值计算的方式考虑了轨道面夹角对交会所需速度增量的影响，在保证子飞行器可交会范围计算精度的前提下提高了交会速度增量的计算效率；步骤四：根据步骤三中得到的子飞行器可交会范围边界，结合目标池中的目标数量和相对相位关系，将当前目标池中第一个目标的相对相位减去子飞行器可交会范围的左边界值作为航天器母船部署相位范围右边界；找出目标池中相对相位不超过航天器母船部署相位范围右边界，且在当前目标池中编号小于等于航天器母船所能携带的子飞行器数量的目标航天器，将其相对相位减去子飞行器可交会范围的右边界值作为航天器母船部署相位范围左边界；根据任务执行时间计算对应的格林时角，将用相对相位表示的航天器母船部署范围转换为轨道根数中的真近点角范围，实现航天器母船的轨位区间的确定；步骤五：从目标池中去除已安排航天器母船和对应子飞行器执行交会任务的目标，重新构建按剩余目标相对相位升序排列的目标池，重复步骤三和步骤四，直至目标池中没有剩余目标，即完成了航天器母船到达部署位置后同时释放多个子飞行器并使其同时与目标航天器交会此任务模式下，所有航天器母船的分配及航天器母船部署轨位区间的确定，使航天器母船在各自轨位区间中的任意位置释放子飞行器时，均能够实现子飞行器对目标航天器的交会，从而扩展多航天器目标交会任务的灵活性，满足更多航天器在轨服务任务需求。
2.如权利要求1所述的一种多航天器交会的轨位区间确定方法，其特征在于：步骤一实现方法为，以经典轨道根数描述目标航天器的位置，获取所有目标的轨道根数及历元时刻，将目标航天器的个数记作N
max
；单个航天器母船最多能携带的子飞行器个数记作n
max
，航天器母船携带的每个子飞行器速度增量相等，记作Δv
max
，单个子飞行器的最大转移时间与任务时间约束相等，记作tof
max
；作为优选，所选取的目标航天器任意两两轨道面夹角应在8
°
以内。3.如权利要求2所述的一种多航天器交会的轨位区间确定方法，其特征在于：步骤二实现方法为，步骤2.1：在最大转移时间下遍历求解不同相位差和轨道面夹角下的交会所需速度增量，获得转移相位差、轨道面夹角和转移速度增量之间的对应关系；在
‑
180～180
°
范围内离散相位差，记作δ
p
，在0～8
°
范围内离散轨道面夹角，记作δ
i
；构建航天器交会的Lambert问题：Δv＝Lambert(tof
max
,δ
i
,δ
p
)
ꢀꢀꢀꢀ
(1)在给定轨道夹角δ
i
时，通过带入不同的相位差δ
p
反复求解式(1)，得到在当前飞行器高度和最大交会时间约束下的相位差、轨道面夹角与速度增量的对应关系，用函数f(
·
)表示如下：Δv＝f(δ
p
,δ
i
)
ꢀꢀꢀꢀ
(2)步骤2.2：根据子飞行器速度增量约束，构建方程并求解得到子飞行器可交会相位范围的边界值，构建以轨道面夹角为输入、子飞行器可交会范围边界为输出的子飞行器交会范围数据库；将子飞行器的速度增量Δv
max
带入步骤2.1中得到的转移相位...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔栋，朱天昊，温昶煊，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：