本发明专利技术公开了一种基于失效卫星表面参考点的相对位姿动力学建模方法，属于航天导航建模技术领域。该方法首先利用追踪星上的观测相机对失效卫星进行在轨拍照，并在失效卫星表面确定一个兴趣区域，然后建立便于相对位姿动力学模型推导的参考坐标系和兴趣坐标系，最后在此基础上，基于Hill方程和姿态动力学模型，根据失效卫星的运动规律以及追踪星与失效卫星上兴趣区域的关系，建立相对于失效卫星表面的相对位姿耦合动力学模型。本发明专利技术能够充分结合非合作失效卫星的特性，合理选择相对位姿动力学建模对象，适合于失效卫星的交会对接与捕获等在轨操作的实现。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种建模方法，尤其涉及一种针对非合作失效卫星在轨操作的相对位姿耦合动力学建模方法，属于航天导航建模
技术介绍
近年来，随着空间目标的接近与捕获技术的不断发展，各国正致力于各项自主接近与在轨捕获项目的研究。由于空间合作目标的接近与捕获技术相对比较成熟，因此，各国将重点逐步转移到非合作目标卫星接近与捕获研究。非合作空间目标就是未预先安装对接辅助装置，甚至自身不能对姿态进行控制，在空间自由翻滚的航天器。由于燃料耗尽、系统故障等问题都可能导致卫星成为一颗失效卫星，一般来说，这些失效卫星大多数都属于非合作目标卫星，因此非合作目标卫星的交会对接与在轨捕获等技术的研究就显得尤为重要。利用小卫星对非合作卫星的在轨操作现已取得了初步进展，例如，美国的XSS-Il试验项目和SUMO计划，德国DLR开展的DEOS项目以及欧洲的TECSAS项目。空间非合作目标卫星的自主接近、悬停与捕获操作需要解决的一项关键技术就是非合作目标卫星的自主接近、悬停与在轨捕获的相对位置和相对姿态动力学建模，即根据所建立的模型，采用相应的控制方法对卫星的相对位姿等信息进行精确控制，以保证卫星交会对接与在轨捕获的安全与可靠。在目前已研究的相对位置、姿态动力学建模方法中，并未真正考虑到非合作目标卫星本身的特性，所推导的相对位姿动力学模型基本上都是基于两航天器质心间的相对关系而建立的，这样建模只能适用于远距离与近距离巡视，而不能适用于超近距离巡视，超近距离巡视的特殊性反映在姿态和轨道的强耦合性，在超近距离巡视时不能将目标作为点质量模型进行处理，必须把目标作为分布质量模型进行处理。专利
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对非合作失效卫星的特点，提出一种简洁有效的，以满足失效卫星在轨操作的实现需求。该建模方法包括如下步骤步骤I :利用追踪星上的观测相机对失效卫星进行在轨拍照，通过图像处理，在失效卫星的表面确定一个兴趣区域；步骤2 :建立便于相对位姿动力学模型推导的参考坐标系和兴趣坐标系；步骤3 :根据失效卫星的运动规律，以及追踪星与失效卫星上兴趣区域的关系，建立相对于失效卫星表面的相对位姿动力学模型，该步骤进一步包括①根据失效卫星本身的特性，对Hill方程进行改进，建立追踪星与失效卫星表面参考点间的相对位置动力学模型；②根据姿态动力学方程，建立追踪星与失效卫星表面参考点间的相对姿态动力学模型；③利用相对位置动力学模型中位置与姿态的耦合性，并结合参考轨迹跟踪法，建立近似耦合相对位姿动力学模型。技术效果I、能够针对非合作失效卫星的特性以及长期失效后的运动模式，合理选择相对位姿动力学建模对象。2、建模方法简洁有效，适用于非合作目标卫星中的兴趣区域与旋转轴平行、垂直或成任意夹角的情况。3、在超近距离巡视时，可根据实际情况选择不同的兴趣区域进行交会对接与在轨捕获，以规避太阳帆板等大型部件。4、通过设计相应的控制方法，可以获得高精度的姿态、速度和位置信息，适合于失效卫星的交会对接与捕获等在轨操作的工程实现。 附图说明图I为参考坐标系示意图。图2为兴趣坐标系示意图。图3为追踪星与失效卫星表面参考点的相对位置三维轨迹图。图4为追踪星与失效卫星表面参考点的X轴向相对位置曲线图。图5为追踪星与失效卫星表面参考点的Y、Z轴向相对位置曲线图。图6为追踪星与失效卫星表面参考点的相对速度曲线图。图7为追踪星与失效卫星表面参考点的相对姿态曲线图。图8为追踪星与失效卫星表面参考点的相对角速度曲线图。图9为作用于追踪星本体上的控制力所产生的速度增量曲线图。图10为作用于追踪星本体上的控制力所产生的速度总增量曲线图。具体实施例方式下面对本专利技术的方法步骤进行详细说明。步骤I :确定失效卫星表面的兴趣区域。大部分卫星在控制系统失效后便会在空间自由翻滚，并最终围绕惯量主轴慢慢旋转，其动量矩的方向在空间基本保持惯性稳定。利用追踪星上的观测相机对失效卫星进行在轨拍照，通过图像处理，在失效卫星的表面确定一个兴趣区域。步骤2 :建立便于相对位姿动力学模型推导的坐标系。设定失效卫星在太阳帆板挠性振动、空间摄动等因素的作用下，最终围绕惯量主轴X以角速度ω旋转，并且保持惯性稳定，在不失一般性的情况下，假定兴趣区域所在的平面与旋转轴垂直，追踪星从X轴方向接近兴趣区域，并实现对旋转兴趣区域较长时间的跟踪。为便于相对位姿动力学模型的推导，建立参考坐标系和兴趣坐标系，具体如下①参考坐标系考虑到一个长期失效卫星的旋转轴在空间基本保持惯性稳定，以该旋转轴与失效卫星表面的交点为原点O (参考点)，以失效卫星的旋转轴为X轴，利用观测相机拍到的一定数量的图片以及追踪星的惯性姿态计算出失效卫星旋转轴的惯性指向；选择一颗参考恒星，根据其赤经和赤纬，计算该恒星在惯性系中的方向矢量太，将X轴与V叉乘得到Z轴，y轴根据右手定则确定，则参考坐标系为oxyz,如图I所示。由于该坐标系的各轴指向在惯性空间稳定，因此该坐标系是惯性定向的。该坐标系原点与失效卫星表面直接相关，所以可将兴趣区域的运动很方便地描述在该坐标系下，有利于后续的控制处理。②兴趣坐标系为了描述兴趣区域在跟随失效卫星旋转时相对于参考坐标系的姿态变化，所以建立兴趣坐标系。选取观测相机拍照得到的兴趣区域内的一个清晰的自然特征点为原点 兴趣点Lx1轴与参考坐标系的X轴平行，确定兴趣点指向参考点的方向矢量Zpy1轴的建立符合右手定则，则兴趣坐标系为O1XiyiZ1，如图2所示。由于兴趣坐标系与失效卫星本体直接固连，它的建立有利于控制追踪星相对于旋转的兴趣区域的姿态。·步骤3 :根据失效卫星的运动规律，以及追踪星与失效卫星上兴趣区域的关系，建立相对于失效卫星表面的相对位姿动力学模型，具体如下①相对位置动力学模型在不考虑轨道摄动时，基于Hill方程，在失效卫星轨道系中描述的相对位置动力学模型如下权利要求1.一种，其特征在于 该方法包括如下步骤 步骤I:利用追踪星上的观测相机对失效卫星进行在轨拍照，通过图像处理，在失效卫星的表面确定一个兴趣区域； 步骤2 :建立便于相对位姿动力学模型推导的参考坐标系和兴趣坐标系； 步骤3 :根据失效卫星的运动规律，以及追踪星与失效卫星上兴趣区域的关系，建立相对于失效卫星表面的相对位姿动力学模型。2.根据权利要求I所述的，其特征在于所述步骤2中参考坐标系的建立方法为 以失效卫星的旋转轴与该失效卫星表面的交点为原点O，以失效卫星的旋转轴为X轴，利用观测相机拍到的图片以及追踪星的惯性姿态计算出失效卫星旋转轴的惯性指向；选择一颗参考恒星，根据该恒星的赤经和赤纬，计算该恒星在惯性系中的方向矢量太，将X轴与I'叉乘得到z轴，y轴根据右手定则确定，则参考坐标系为oxyz，原点ο即参考点。3.根据权利要求I所述的，其特征在于所述步骤2中兴趣坐标系的建立方法为 以观测相机拍照得到的兴趣区域内任一个自然特征点为原点O1，原点O1即兴趣点，X1轴与参考坐标系的X轴平行，确定兴趣点指向参考点的方向矢量Z1, Y1轴根据右手定则确定，则兴趣坐标系为O1X1Y1Zp4.根据权利要求I所述的，其特征在于所述步骤3的步骤如下 ①根据失效卫星本身的特性，对Hill方程进行改进，建立追踪星与失效卫星表面参考点间的相对位置动力学模型； ②根据姿态动力学方程，本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于失效卫星表面参考点的相对位姿动力学建模方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：步骤1：利用追踪星上的观测相机对失效卫星进行在轨拍照，通过图像处理，在失效卫星的表面确定一个兴趣区域；步骤2：建立便于相对位姿动力学模型推导的参考坐标系和兴趣坐标系；步骤3：根据失效卫星的运动规律，以及追踪星与失效卫星上兴趣区域的关系，建立相对于失效卫星表面的相对位姿动力学模型。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：姚小松，熊智，郁丰，刘伟霞，王融，刘建业，张旭，张承，彭惠，方峥，吴旋，邵慧，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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