金字塔型电磁编队的空间失效卫星非接触式变轨操控方法技术

本发明专利技术一种金字塔型电磁编队的空间失效卫星非接触式变轨操控方法，属于空间目标电磁操控及空间碎片主动移除领域；具体步骤为，确定施加在空间失效卫星上的最大推力加速度；确定轨道转移过程中的期望推力加速度和整个转移过程的时长；建立轨道运动模型，获得期望位置和期望速度；设计非线性模型预测控制器，获得电磁航天器磁矩的2

【技术实现步骤摘要】
金字塔型电磁编队的空间失效卫星非接触式变轨操控方法


[0001]本专利技术属于空间目标电磁操控及空间碎片主动移除领域，具体涉及一种金字塔型电磁编队的空间失效卫星非接触式变轨操控方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着航天技术的迅速发展，在轨卫星的数目呈爆发增长态势，空间轨道变得愈发拥挤。而随着卫星的老化、碰撞等，空间失效卫星的数目日益增长，严重浪费现有宝贵的轨道资源，且影响在轨运行卫星的安全。针对空间失效卫星的在轨移除成为空间在轨服务的热点与难题。
[0003]现有技术中一种利用可控的电磁力/力矩实现空间失效卫星非接触操控的空间电磁操控手段受到航天技术专家的关注。该手段使用卫星之间可控的电磁力/力矩对失效卫星进行非接触操控。与传统的接触操控和惯性推力操控方法相比，电磁操控有很多优势，例如可以避免碰撞风险、推进剂消耗和羽流污染等缺点，并具有非接触、连续和可逆的控制特性。电磁操控技术应用广泛，例如在航天器对接与分离、在轨组装、编队飞行、故障卫星救援、翻滚卫星消旋等领域。
[0004]然而，现有电磁操控技术在对卫星进行操控时，往往要求卫星本身带有电磁线圈或者永磁体等能产生磁矩的装置。而失效卫星并不一定具备这一特性，无法产生电磁操控作用力/力矩，因此无法实现失效卫星进行电磁变轨操控。针对这一问题，本专利技术提出了一种金字塔型电磁编队的空间失效卫星非接触式变轨操控方法，为空间目标在轨服务与主动碎片移除提供新方法。

技术实现思路

[0005]要解决的技术问题：
[0006]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提供一种金字塔型电磁编队的空间失效卫星非接触式变轨操控方法，通过电磁航天器磁矩的旋转而产生失效卫星的电磁力/力矩，该方法可以在不与失效卫星进行接触的情况下，实现无磁矩失效卫星的变轨操控。
[0007]本专利技术的技术方案是：一种金字塔型电磁编队的空间失效卫星非接触式变轨操控方法，具体步骤如下：
[0008]确定施加在空间失效卫星上的最大推力加速度；
[0009]确定轨道转移过程中的期望推力加速度和整个转移过程的时长；
[0010]建立轨道运动模型，获得期望位置和期望速度；
[0011]设计非线性模型预测控制器，获得电磁航天器磁矩的2
‑
范数和旋转角速度，实现金字塔型电磁编队下空间失效卫星的非接触式变轨操控。
[0012]本专利技术的进一步技术方案是：所述施加在空间失效卫星上的最大推力加速度为
[0013][0014]其中，F
max
为最大电磁作用力，m
t
为空间失效卫星的质量。
[0015]本专利技术的进一步技术方案是：所述确定施加在空间失效卫星上的最大推力加速度的方法如下：
[0016]在磁矩球坐标系下，建立电磁航天器j对空间非合作失效卫星的电磁作用力F
tj
和电磁作用力矩T
tj
为：
[0017][0018][0019]式中，表示磁矩球坐标系的三个坐标基矢，r
tj
表示空间失效卫星之间相对距离，m
Bj,n
＝||m
Bj
||2表示m
Bj
的2
‑
范数，n表示范数，m
Bj
(j＝1,2,...,6)表示电磁航天器j的磁矩，ω
mj
(j＝1,2,...,6)表示磁矩的旋转角速度；令l
tj
＝||r
tj
||2表示r
tj
的2
‑
范数，μ0为真空磁导率，ω
mn
＝||ω
mj
||2表示ω
mj
的2
‑
范数，表示ω
mj
和r
tj
之间的夹角，其中atan(
·
)为反正切函数，则F
r
(m
Bj,n
,ω
mj
)的计算表达式为：
[0020][0021]其中，
[0022][0023]F
φ
(m
Bj,n
,ω
mj
)的计算公式为：
[0024][0025]其中，
[0026]T
r
(m
Bj,n
,ω
mj
)的计算公式为：
[0027][0028]其中，
[0029]T
θ
(m
Bj,n
,ω
mj
)的计算公式为：
[0030][0031]其中，
[0032]计算最大电磁作用力F
max
为：
[0033][0034]计算最大电磁作用力矩T
max
：
[0035][0036]从而得到施加在空间失效卫星上的最大推力加速度a
max
为
[0037][0038]本专利技术的进一步技术方案是：所述整个转移过程的时长t
f
为
[0039][0040]式中，ΔV
tot
表示整个轨道转移过程的速度增量；a
max
表示最大推力加速度。
[0041]本专利技术的进一步技术方案是：所述期望推力加速度a
d
(t)为
[0042][0043]式中，
[0044]本专利技术的进一步技术方案是：所述确定轨道转移过程中的期望推力加速度和整个转移过程的时长的方法如下：
[0045]由空间失效卫星的初始轨道高度r
h0
和最终轨道高度r
h1
计算出初始轨道速度v0和最终轨道速度v1为
[0046][0047]式中，G
M
表示地心引力常数；
[0048]计算整个轨道转移过程的倾角变化量绝对值为Δi
tot
＝|i
f
‑
i0|，则初始时刻推力器偏航角β0为
[0049][0050]整个轨道转移过程的速度增量ΔV
tot
为
[0051][0052]则整个转移过程的时长t
f
为
[0053][0054]轨道转移过程中t时刻的推力器偏航角β(t)为
[0055][0056]则轨道转移过程中t时刻的期望推力加速度a
d
(t)为
[0057][0058]式中，
[0059]本专利技术的进一步技术方案是：所述获得期望位置和期望速度的方法为：
[0060]建立空间失效卫星轨道运动的常微分方程初值问题：
[0061][0062]求解该常微分方程初值问题，获得期望位置r
td
(t)和期望速度v
td
(t)。
[0063]设计非线性模型预测控制器，获得电磁航天器磁矩的2
‑
范数和旋转角速度，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金字塔型电磁编队的空间失效卫星非接触式变轨操控方法，其特征在于具体步骤如下：确定施加在空间失效卫星上的最大推力加速度；确定轨道转移过程中的期望推力加速度和整个转移过程的时长；建立轨道运动模型，获得期望位置和期望速度；设计非线性模型预测控制器，获得电磁航天器磁矩的2
‑
范数和旋转角速度，实现金字塔型电磁编队下空间失效卫星的非接触式变轨操控。2.根据权利要求1所述一种金字塔型电磁编队的空间失效卫星非接触式变轨操控方法，其特征在于：所述施加在空间失效卫星上的最大推力加速度为：其中，F
max
为最大电磁作用力，m
t
为空间失效卫星的质量。3.根据权利要求1所述一种金字塔型电磁编队的空间失效卫星非接触式变轨操控方法，其特征在于：所述确定施加在空间失效卫星上的最大推力加速度的方法如下：在磁矩球坐标系下，建立电磁航天器j对空间非合作失效卫星的电磁作用力F
tj
和电磁作用力矩T
tj
为：为：式中，表示磁矩球坐标系的三个坐标基矢，r
tj
表示空间失效卫星之间相对距离，m
Bj,n
＝||m
Bj
||2表示m
Bj
的2
‑
范数，n表示范数，m
Bj
(j＝1,2,...,6)表示电磁航天器j的磁矩，ω
mj
(j＝1,2,...,6)表示磁矩的旋转角速度；令l
tj
＝||r
tj
||2表示r
tj
的2
‑
范数，μ0为真空磁导率，ω
mn
＝||ω
mj
||2表示ω
mj
的2
‑
范数，表示ω
mj
和r
tj
之间的夹角，其中atan(
·
)为反正切函数，则F
r
(m
Bj,n
,ω
mj
)的计算表达式为：其中，其中，F
φ
(m
Bj,n
,ω
mj
)的计算公式为：F
φ
(m
Bj,n
,ω
mj
)＝F
φ1
sin(θ
tj
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
其中，T
r
(m
Bj,n
,ω
mj
)的计算公式为：T
r
(m
Bj,n
,ω
mj
)＝T
r1
cos(θ
tj
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)其中，T
θ
(m
Bj,n
,ω
mj
)的计算公式为：T
θ
(m
Bj,n
,ω
mj
)＝T
θ1
sin(θ
tj
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)其中，计算最大电磁作用力F
max
...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄攀峰，刘习尧，廖腾，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：