一种航天器自主绕飞与碰撞威胁规避的智能协同控制方法技术

本发明专利技术提供了一种航天器自主绕飞与碰撞威胁规避的智能协同控制方法，包括以下步骤：利用混合状态机建立自主绕飞与碰撞威胁规避控制系统的混杂模型，给出各个状态对应的控制目标，基于状态机模型对绕飞航天器的行为状态进行监控和管理；设计运动规划器，给出绕飞航天器的参考运动轨迹，以保障航天器各个行为状态转换的柔顺性；针对目标航天器的机动参数不确定性，设计降阶观测器对未知机动参数进行估计，用于控制器设计；根据不同状态的控制目标，设计了多模态运动规划与控制策略，实现多模态自适应跟踪控制。本发明专利技术解决了航天器实现自主绕飞的同时能够有效规避空间目标的碰撞威胁事件，提高航天器的任务遂行能力和空间运行安全性。全性。全性。

【技术实现步骤摘要】
一种航天器自主绕飞与碰撞威胁规避的智能协同控制方法


[0001]本专利技术属于航天器自主控制
，特别涉及一种航天器自主绕飞与碰撞威胁规避的智能协同控制方法。

技术介绍

[0002]自主绕飞对支撑在轨服务与应急处理、反卫星作战武器在轨操控、空间目标跟踪监视以及识别与侦查、空间交会对接、在轨加注、空间碎片清除等活动中均具有重要作用。对于反卫星作战武器在轨操控，通过自主绕飞，找到有利接近目标的路径和抓捕操控点。对于空间目标跟踪监视以及识别与侦查等活动，通过自主绕飞和精确稳定的姿态指向控制实现对目标航天器全方位的详细观察和监测，充分获取目标信息，进而实现对目标特征信息精准识别，确定目标类型和能力。对于在轨服务与应急处理、空间交会对接、在轨加注、空间碎片清除等活动，通过绕飞，找到安全接近走廊，避免与非合作目标之间的碰撞，保障了接近的安全性，同时通过绕飞识别目标特征信息和运动状态，找到合适的服务和操作位置。自主绕飞过程分为制导接近、相对位置保持(定点观察、拍照成像)、绕飞等多个阶段。
[0003]然而，随着空间碎片的逐年增加，大量大型星座的在轨部署导致空间轨道环境日益拥挤，碰撞风险日益增加，自主绕飞过程有可能面临来自空间碎片或者其他航天器的碰撞威胁事件，因此绕飞过程中要求航天器具备碰撞威胁自主规避能力，能够自主进行轨道调整机动，有效应对自主绕飞过程当中发生的与空间碎片或者其他航天器可能发生的碰撞威胁事件。
[0004]现有的绕飞控制方法仅针对绕飞段，控制模式单一，且没有考虑空间碰撞危险规避问题，因而无法根据空间情况的变化，例如光照条件剧变、碰撞风险增加等自主决策，调整行为策略，规划运动轨迹，改变控制器模态，从而使得航天器能够适应空间情况的变化，自主完成相应的控制任务并保障航天器的安全，因此需要增加航天器控制系统的自主能力。为了使得航天器能够自主完成整个绕飞过程，且能够根据自主规避碰撞风险事件，保障任务的执行和航天器的安全，因此本专利技术基于混合状态机方法，设计了自主绕飞与碰撞风险规避的智能协同控制方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种航天器自主绕飞与碰撞威胁规避的智能协同控制方法，实现自主绕飞的同时能够对碰撞威胁进行规避，保障任务遂行和自身安全。
[0006]本专利技术的技术解决方案是：
[0007]一种航天器自主绕飞与碰撞威胁规避的智能协同控制方法，包括以下步骤：
[0008](1)设定航天器自主绕飞与碰撞威胁规避过程中的行为状态，各行为状态下的控制目标，设定航天器自主绕飞与碰撞威胁规避中的离散事件及各离散事件开始和结束的触发条件，根据离散事件及其开始和结束的触发条件设定行为状态之间的转换函数，所述转
换函数的取值用于标识是否进行行为状态之间的转换；
[0009](2)绕飞航天器收到自主绕飞开始指令后，进入初始行为状态，根据绕飞航天器与目标航天器的相对运动参数、自主绕飞任务需求以及碰撞威胁情况确定各离散事件的触发状态，根据各离散事件的触发状态计算转换函数的取值，当满足相应的转换函数时，行为状态进行转换，否则维持当前行为状态；
[0010](3)在各行为状态下，绕飞航天器根据与目标航天器的相对运动参数以及当前行为状态的控制目标进行运动规划，得到当前行为状态的参考轨迹；再根据当前行为状态对目标航天器的未知机动参数进行估计，进一步结合参考轨迹和估计的未知机动参数确定控制参数，实现当前行为状态下的控制目标。
[0011]优选的，采用参考质点轨道坐标系下的C
‑
W方程描述绕飞航天器与其他空间目标之间的相对运动，所述参考质点轨道坐标系的原点为参考质点，Z
o
轴从参考质点指向地心，Y
o
轴垂直与参考质点瞬时轨道平面并指向轨道面的负法线方向，X
o
轴指向与其他两轴构成右手坐标系，绕飞航天器与其他空间目标的相对运动满足以下表达式：
[0012][0013][0014]其中，P表示绕飞航天器，i表示其他空间目标，ρ
Pi
＝[x
Pi
,y
Pi
,z
Pi
]T
表示绕飞航天器与其他空间目标的相对位置矢量；表示绕飞航天器与其他空间目标的相对速度矢量；表示绕飞航天器与其他空间目标的相对加速度矢量，u
P
、u
i
分别表示P、i的控制输入，表示参考质点轨道角速度。
[0015]优选的，所述步骤(1)中，设定航天器自主绕飞与碰撞威胁规避过程中的行为状态及各行为状态下的控制目标，具体为：
[0016]制导接近状态q0：通过制导使得绕飞航天器到达对目标航天器的期望绕飞位置，控制目标为ρ
PE
＝ρ
PE,ref
；其中,E代表目标航天器，ρ
PE
表示绕飞航天器与目标航天器之间的相对位置，ρ
PE,ref
表示绕飞航天器对目标航天器的期望绕飞位置；
[0017]相对位置保持状态q1：绕飞航天器与目标航天器的相对位置保持稳定，对目标航天器进行观测，控制目标为其中，ρ
Pi,k
表示观测位置，表示绕飞航天器与目标航天器之间的相对速度；表示绕飞航天器与目标航天器之间的相对加速度；
[0018]绕飞转移状态q2：绕飞航天器从一个观测位置转移到另一个观测位置，控制目标为：其中，ρ
r,ref
表示绕飞转移参考位置，表示绕飞转移参考速度；
[0019]碰撞威胁规避状态q3：绕飞航天器对有碰撞威胁的空间目标进行规避，使绕飞航天器与有碰撞威胁的航天器之间的距离满足安全距离，控制目标为：||ρ
Pi
||≥d
s
；其中，ρ
Pi
表示绕飞航天器与有碰撞威胁的航天器之间的距离，d
s
表示航天器之间的安全距离；
[0020]返回撤离状态q4：绕飞任务结束后，绕飞器返回既定的目标轨道，控制目标为：
＝0&e5＝0&e7＝1)＝1；
[0032]转换函数T1：
[0033]δ(q0＝1&e5＝1||q1＝1&e5＝1||q2＝1&e5＝1||q4＝1&e5＝1)＝1；
[0034]转换函数T2：
[0035]δ(q1＝1&e1＝1&e2＝0&e5＝0&e6＝1&e7＝0)＝1；
[0036]转换函数T3：
[0037]δ(q1＝1&e1＝1&e2＝1&e5＝0)＝1；
[0038]转换函数T4：
[0039]δ(q1＝1&e1＝0&e5＝0&e7＝1)＝本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种航天器自主绕飞与碰撞威胁规避的智能协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)设定航天器自主绕飞与碰撞威胁规避过程中的行为状态，各行为状态下的控制目标，设定航天器自主绕飞与碰撞威胁规避中的离散事件及各离散事件开始和结束的触发条件，根据离散事件及其开始和结束的触发条件设定行为状态之间的转换函数，所述转换函数的取值用于标识是否进行行为状态之间的转换；(2)绕飞航天器收到自主绕飞开始指令后，进入初始行为状态，根据绕飞航天器与目标航天器的相对运动参数、自主绕飞任务需求以及碰撞威胁情况确定各离散事件的触发状态，根据各离散事件的触发状态计算转换函数的取值，当满足相应的转换函数时，行为状态进行转换，否则维持当前行为状态；(3)在各行为状态下，绕飞航天器根据与目标航天器的相对运动参数以及当前行为状态的控制目标进行运动规划，得到当前行为状态的参考轨迹；再根据当前行为状态对目标航天器的未知机动参数进行估计，进一步结合参考轨迹和估计的未知机动参数确定控制参数，实现当前行为状态下的控制目标。2.根据权利要求1所述的一种航天器自主绕飞与碰撞威胁规避的智能协同控制方法，其特征在于，采用参考质点轨道坐标系下的C
‑
W方程描述绕飞航天器与其他空间目标之间的相对运动，所述参考质点轨道坐标系的原点为参考质点，Z
o
轴从参考质点指向地心，Y
o
轴垂直与参考质点瞬时轨道平面并指向轨道面的负法线方向，X
o
轴指向与其他两轴构成右手坐标系，绕飞航天器与其他空间目标的相对运动满足以下表达式：坐标系，绕飞航天器与其他空间目标的相对运动满足以下表达式：其中，P表示绕飞航天器，i表示其他空间目标，ρ
Pi
＝[x
Pi
,y
Pi
,z
Pi
]
T
表示绕飞航天器与其他空间目标的相对位置矢量；表示绕飞航天器与其他空间目标的相对速度矢量；表示绕飞航天器与其他空间目标的相对加速度矢量，u
P
、u
i
分别表示P、i的控制输入，表示参考质点轨道角速度。3.根据权利要求2所述的一种航天器自主绕飞与碰撞威胁规避的智能协同控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中，设定航天器自主绕飞与碰撞威胁规避过程中的行为状态及各行为状态下的控制目标，具体为：制导接近状态q0：通过制导使得绕飞航天器到达对目标航天器的期望绕飞位置，控制目标为ρ
PE
＝ρ
PE,ref
；其中,E代表目标航天器，ρ
PE
表示绕飞航天器与目标航天器之间的相对位置，ρ
PE,ref
表示绕飞航天器对目标航天器的期望绕飞位置；相对位置保持状态q1：绕飞航天器与目标航天器的相对位置保持稳定，对目标航天器进行观测，控制目标为ρ
PE
＝ρ
PE,k
,其中，ρ
Pi,k
表示观测位置，表示绕飞航天器与目标航天器之间的相对速度；表示绕飞航天器与目标航天器之间的相对加速度；绕飞转移状态q2：绕飞航天器从一个观测位置转移到另一个观测位置，控制目标为：ρ
PE
＝ρ
r,ref
,其中，ρ
r,ref
表示绕飞转移参考位置，表示绕飞转移参考速度；碰撞威胁规避状态q3：绕飞航天器对有碰撞威胁的空间目标进行规避，使绕飞航天器与有碰撞威胁的航天器之间的距离满足安全距离，控制目标为：||ρ
Pi
||≥d
s
；其中，ρ
Pi
表示绕飞航天器与有碰撞威胁的航天器之间的距离，d
s
表示航天器之间的安全距离；返回撤离状态q4：绕飞任务结束后，绕飞器返回既定的目标轨道，控制目标为：ρ
P
＝ρ
c,ref
,其中，ρ
P
、分别表示绕飞航天器在参考质点轨道坐标系下的位置、速度和加速度，ρ
c,ref
，分别表示参考质点轨道坐标系下既定目标轨道位置、轨道速度及轨道加速度。4.根据权利要求3所述的一种航天器自主绕飞与碰撞威胁规避的智能协同控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中，设定航天器自主绕飞与碰撞威胁规避中的离散事件及各离散事件开始和结束的触发条件，具体包括：绕飞任务e1：e1＝1表示绕飞任务开始，触发条件为task＝1；e1＝0表示绕飞任务结束，触发条件为n≥n
ref
||t≥t
t,ref
||task＝0，其中，n表示绕飞圈数，n
ref
表示期望的绕飞圈数，t表示绕飞花费的总时长，t
t,ref
表示绕飞任务期望的总时长，task＝1表示收到自主绕飞开始指令，task＝0表示收到自主绕飞结束指令；制导接近e2：e2＝1表示制导接近开始，触发条件为ρ
PE
≠ρ
PE,ref
；e2＝0表示制导接近结束，触发条件为ρ
PE
＝ρ
PE,ref
，相对位置保持e3：e3＝1表示相对位置保持开始，触发条件为ρ
PE
＝ρ
PE,ref
；e3＝0表示相对位置保持结束，触发条件为其中，t
o
某一观测位置上花费的观测时长，t
o,ref
某一观测位置上期望的观测时长；目标观测e4：e4＝1表示目标观测开始，触发条件为e4＝0表示目标观测结束，触发条件为碰撞威胁规避e5：e5＝1表示碰撞威胁规避开始，触发条件为||ρ
Pi
||
‑
d
c
≤0&d||ρ
Pi
||/dt&...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁利，李敏，刘磊，张聪，汤亮，耿远卓，王英杰，李佳兴，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：