一种失效旋转目标逼近的6-dof协同制导方法
一种失效旋转目标逼近的6-dof协同制导方法
【专利摘要】本发明为解决失效旋转目标逼近的协同制导，提供一种始终对准抓捕对接口矢量的6-DOF(六自由度)协同制导方法，包括如下步骤：建立时刻对准抓捕对接口矢量的期望坐标系和罗德里德参数(MRP)描述的追踪星本体系相对期望坐标系的相对姿态运动方程；设计同步控制轨道控制律，使相对位置矢量指向抓捕对接口矢量；设计同步控制姿态控制律，保持轨道控制的同时，使追踪星+X轴方向安装的机械臂矢量指向相对位置矢量进而达到6-DOF同步，与现有技术相比，本发明对失效旋转目标逼近的同时，对失效旋转目标对接口矢量方向进行实时跟踪，为在轨抓捕建立稳定的相对运动条件。
【专利说明】-种失效旋转目标逼近的6-D0F协同制导方法
[0001]
【技术领域】
[0002] 本发明涉及失效旋转目标逼近的六自由度（6-D0F)协同制导方法，属于空间在轨 服务【技术领域】。
[0003]
【背景技术】
[0004] 随着航天任务的增加和航天技术的发展，特别是空间机器人的出现与发展，为了 满足大规模空间应用需求，进一步提高空间系统效益，航天器技术将面向在轨检测、加注、 组装、更换、维修和营救等在内的在轨服务需求。失效旋转目标的姿态不受控制并出现翻滚 或自旋，对其进行抓捕的自主逼近姿轨协同制导技术是实施航天器在轨维修、燃料加注、轨 道拖曳等任务的使能技术，是整个在轨抓捕的难点与关键点。
[0005]
【发明内容】
[0006] 本发明在于提供一种失效旋转目标逼近的6-D0F协同制导方法，为在轨抓捕创造 条件。
[0007] 为了达到上述发明目的，本发明的技术方案包括如下步骤： 步骤一，设计逼近参考轨迹并建立期望坐标系； 步骤二，失效旋转目标逼近的6-D0F同步控制相对运动建模； 步骤三，设计失效旋转目标逼近的6-D0F协同控制律。
[0008] 优选地，所述的步骤一已知失效旋转目标本体系下的抓捕对接口矢量，采用指数 函数设计轨道系下追踪星逼近失效旋转目标的参考轨迹，并构建时刻指向抓捕对接口矢量 的期望坐标系，该期望坐标系是随着失效旋转目标抓捕对接口旋转的动坐标系。
[0009] 优选地，所述的步骤二相对运动建模包括：建立追踪星相对于失效旋转目标的相 对轨道动力学方程；求解追踪星本体系相对于期望坐标系的姿态罗德里德参数（MPR)偏差 和姿态角速度偏差，建立追踪星本体系相对于期望坐标系的相对姿态运动方程。
[0010] 优选地，所述的步骤三协同控制律包括：设计ro轨道控制律，对追踪星相对于失 效旋转目标的相对动力学方程和参考轨迹方程的偏差进行控制，实现逼近过程中的相对轨 道控制；设计滑模变结构姿态控制律对追踪星本体系相对于期望坐标系的姿态MPR偏差和 姿态角速度偏差进行姿态控制，使追踪星+X轴安装的机械臂始终对准抓捕对接口矢量。
[0011] 优选地，所述步骤一的逼近参考轨迹为
【权利要求】
1. 一种失效旋转目标逼近的6-D0F协同制导方法，其特征在于包括如下步骤： 步骤一，设计逼近参考轨迹并建立期望坐标系； 步骤二，失效旋转目标逼近的6-D0F同步控制相对运动建模； 步骤三，设计失效旋转目标逼近的6-D0F协同控制律。
2. 根据权利要求1所述的失效旋转目标逼近的6-D0F协同制导方法，其特征在于：所 述的步骤一已知失效旋转目标本体系下的抓捕对接口矢量，采用指数函数设计轨道系下追 踪星逼近失效旋转目标的参考轨迹，并构建时刻指向抓捕对接口矢量的期望坐标系，该期 望坐标系是随着失效旋转目标抓捕对接口旋转的动坐标系。
3. 根据权利要求1所述的失效旋转目标逼近的6-D0F协同制导方法，其特征在于，所述 的步骤二运动建模包括：建立追踪星相对于失效旋转目标的相对轨道动力学方程；求解追 踪星本体系相对于期望坐标系的姿态罗德里德参数（MPR)偏差和姿态角速度偏差，建立追 踪星本体系相对于期望坐标系的相对姿态运动方程。
4. 根据权利要求1所述的失效旋转目标逼近的6-D0F协同制导方法，其特征在于，所述 的步骤三协同控制律包括：设计ro轨道控制律对追踪星相对于失效旋转目标的相对动力 学方程和参考轨迹方程的偏差进行控制，实现逼近过程中的相对轨道控制；设计滑模变结 构姿态控制律对追踪星本体系相对于期望坐标系的姿态MPR偏差和姿态角速度偏差进行 姿态控制，使追踪星+X轴安装的机械臂始终对准抓捕对接口矢量。
5. 根据权利要求1或2所述的失效旋转目标逼近的6-D0F协同制导方法，其特征在于， 所述步骤一的逼近参考轨迹为
其中rD表示初始追踪星与失效旋转目标的相对距离；rD表示终端追踪星与失效旋转 目标的相对距离；表示抓捕对接口在失效旋转目标本体系下的矢量；#表示常值； 表示轨道坐标系相对于失效旋转目标本体系的转换矩阵。
6. 根据权利要求1所述的失效旋转目标逼近的6-D0F协同制导方法，其特征在于，当抓 捕对接口矢量与旋转角速度矢量不重合时，所述期望坐标系D的三个坐标轴单位矢量表示 为
其中|H、/和分别表示期望坐标系X、Y和Z的单位矢量；表示轨道系相对于 失效旋转目标本体系的转换矩阵表示失效旋转目标本体系相对于惯性系下的角速度； jjf表示抓捕对接口在失效旋转目标本体系下的矢量
表示与抓捕对接口在失 效旋转目标本体系下的矢量和旋转角速度矢量都垂直的单位矢量； 期望坐标系X轴方向始终对准失效旋转目标的抓捕对接口矢量，Z轴与抓捕对接口矢 量和旋转角速度矢量垂直，Y轴构成右手坐标系。
7. 根据权利要求3所述的失效旋转目标逼近的6-D0F协同制导方法，其特征在于，所述 追踪星相对于失效旋转目标的相对轨道运动学方程为： 其中
为追踪星相对于失效旋转目标的相对位 置矢量；μ表示地球引力常数；和re分别表示失效旋转目标和追踪星在惯性系下的位置 大小；f表示追踪星上的控制力；表示追踪星的质量；X、y和z表示轨道系下追踪星与 失效旋转目标相对位置在三轴的分量；沒表示真近点角。
8. 根据权利要求3所述的失效旋转目标逼近的6-D0F协同制导方法，其特征在于，追踪 星本体系P相对于期望坐标系D转换矩阵
，其中追踪星本体系P相对 于惯性系N的转换矩阵可通过追踪星本体系相对于惯性系的姿态MRP参数&计算，轨 道系Η相对于惯性系N的转换矩阵Cw可通过失效旋转目标的轨道根数计算，期望坐标系D 相对于轨道坐标系Η的转换矩阵
已知Cpp可得到追踪星本体系相对于期望坐标系的姿态偏差办g和角速度偏差邊m， 其中
表示追踪星本体系P相对于失效旋转目标本体 系B的转换矩阵；表示失效旋转目标期望坐标系相对于惯性系的期望角速度；》^表示 失效旋转目标本体系相对于惯性系的旋转角速度表示追踪星本体系相对于惯性系的 角速度；则追踪星本体系相对于期望坐标系的相对姿态运动学方程为
其中表示3x3矩阵，且
9. 根据权利要求1或4所述的失效旋转目标逼近的6-D0F协同制导方法，其特征在于， 所述轨道控制律为
式中JT、_P为正定矩阵;
为追踪星的质量；相对位置 跟踪误差为e = r - / ;相对速度跟踪误差为<r2 = * - Z。
10. 根据权利要求1或4所述的失效旋转目标逼近的6-D0F协同制导方法，其特征在 于，所述姿态控制律为
其中弋表示追踪星转动惯量，（气X)表示％的反对称矩阵；ι?表示切换函数；I、J 和ε为控制参数，都是3x3矩阵；和Jiu分别表示追踪星本体系相对于期望坐标系的 姿态偏差MRP参数和姿态偏差角速度；
表示双曲正切函数。
【文档编号】G05D1/00GK104252172SQ201310260625
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2013年6月27日 优先权日:2013年6月27日
【发明者】侯建文, 于朝霞, 韩飞, 武海雷, 贺亮, 徐帷 申请人:上海新跃仪表厂
【专利摘要】本发明为解决失效旋转目标逼近的协同制导，提供一种始终对准抓捕对接口矢量的6-DOF(六自由度)协同制导方法，包括如下步骤：建立时刻对准抓捕对接口矢量的期望坐标系和罗德里德参数(MRP)描述的追踪星本体系相对期望坐标系的相对姿态运动方程；设计同步控制轨道控制律，使相对位置矢量指向抓捕对接口矢量；设计同步控制姿态控制律，保持轨道控制的同时，使追踪星+X轴方向安装的机械臂矢量指向相对位置矢量进而达到6-DOF同步，与现有技术相比，本发明对失效旋转目标逼近的同时，对失效旋转目标对接口矢量方向进行实时跟踪，为在轨抓捕建立稳定的相对运动条件。
【专利说明】-种失效旋转目标逼近的6-D0F协同制导方法
[0001]
【技术领域】
[0002] 本发明涉及失效旋转目标逼近的六自由度（6-D0F)协同制导方法，属于空间在轨 服务【技术领域】。
[0003]
【背景技术】
[0004] 随着航天任务的增加和航天技术的发展，特别是空间机器人的出现与发展，为了 满足大规模空间应用需求，进一步提高空间系统效益，航天器技术将面向在轨检测、加注、 组装、更换、维修和营救等在内的在轨服务需求。失效旋转目标的姿态不受控制并出现翻滚 或自旋，对其进行抓捕的自主逼近姿轨协同制导技术是实施航天器在轨维修、燃料加注、轨 道拖曳等任务的使能技术，是整个在轨抓捕的难点与关键点。
[0005]
【发明内容】
[0006] 本发明在于提供一种失效旋转目标逼近的6-D0F协同制导方法，为在轨抓捕创造 条件。
[0007] 为了达到上述发明目的，本发明的技术方案包括如下步骤： 步骤一，设计逼近参考轨迹并建立期望坐标系； 步骤二，失效旋转目标逼近的6-D0F同步控制相对运动建模； 步骤三，设计失效旋转目标逼近的6-D0F协同控制律。
[0008] 优选地，所述的步骤一已知失效旋转目标本体系下的抓捕对接口矢量，采用指数 函数设计轨道系下追踪星逼近失效旋转目标的参考轨迹，并构建时刻指向抓捕对接口矢量 的期望坐标系，该期望坐标系是随着失效旋转目标抓捕对接口旋转的动坐标系。
[0009] 优选地，所述的步骤二相对运动建模包括：建立追踪星相对于失效旋转目标的相 对轨道动力学方程；求解追踪星本体系相对于期望坐标系的姿态罗德里德参数（MPR)偏差 和姿态角速度偏差，建立追踪星本体系相对于期望坐标系的相对姿态运动方程。
[0010] 优选地，所述的步骤三协同控制律包括：设计ro轨道控制律，对追踪星相对于失 效旋转目标的相对动力学方程和参考轨迹方程的偏差进行控制，实现逼近过程中的相对轨 道控制；设计滑模变结构姿态控制律对追踪星本体系相对于期望坐标系的姿态MPR偏差和 姿态角速度偏差进行姿态控制，使追踪星+X轴安装的机械臂始终对准抓捕对接口矢量。
[0011] 优选地，所述步骤一的逼近参考轨迹为
【权利要求】
1. 一种失效旋转目标逼近的6-D0F协同制导方法，其特征在于包括如下步骤： 步骤一，设计逼近参考轨迹并建立期望坐标系； 步骤二，失效旋转目标逼近的6-D0F同步控制相对运动建模； 步骤三，设计失效旋转目标逼近的6-D0F协同控制律。
2. 根据权利要求1所述的失效旋转目标逼近的6-D0F协同制导方法，其特征在于：所 述的步骤一已知失效旋转目标本体系下的抓捕对接口矢量，采用指数函数设计轨道系下追 踪星逼近失效旋转目标的参考轨迹，并构建时刻指向抓捕对接口矢量的期望坐标系，该期 望坐标系是随着失效旋转目标抓捕对接口旋转的动坐标系。
3. 根据权利要求1所述的失效旋转目标逼近的6-D0F协同制导方法，其特征在于，所述 的步骤二运动建模包括：建立追踪星相对于失效旋转目标的相对轨道动力学方程；求解追 踪星本体系相对于期望坐标系的姿态罗德里德参数（MPR)偏差和姿态角速度偏差，建立追 踪星本体系相对于期望坐标系的相对姿态运动方程。
4. 根据权利要求1所述的失效旋转目标逼近的6-D0F协同制导方法，其特征在于，所述 的步骤三协同控制律包括：设计ro轨道控制律对追踪星相对于失效旋转目标的相对动力 学方程和参考轨迹方程的偏差进行控制，实现逼近过程中的相对轨道控制；设计滑模变结 构姿态控制律对追踪星本体系相对于期望坐标系的姿态MPR偏差和姿态角速度偏差进行 姿态控制，使追踪星+X轴安装的机械臂始终对准抓捕对接口矢量。
5. 根据权利要求1或2所述的失效旋转目标逼近的6-D0F协同制导方法，其特征在于， 所述步骤一的逼近参考轨迹为
其中rD表示初始追踪星与失效旋转目标的相对距离；rD表示终端追踪星与失效旋转 目标的相对距离；表示抓捕对接口在失效旋转目标本体系下的矢量；#表示常值； 表示轨道坐标系相对于失效旋转目标本体系的转换矩阵。
6. 根据权利要求1所述的失效旋转目标逼近的6-D0F协同制导方法，其特征在于，当抓 捕对接口矢量与旋转角速度矢量不重合时，所述期望坐标系D的三个坐标轴单位矢量表示 为
其中|H、/和分别表示期望坐标系X、Y和Z的单位矢量；表示轨道系相对于 失效旋转目标本体系的转换矩阵表示失效旋转目标本体系相对于惯性系下的角速度； jjf表示抓捕对接口在失效旋转目标本体系下的矢量
表示与抓捕对接口在失 效旋转目标本体系下的矢量和旋转角速度矢量都垂直的单位矢量； 期望坐标系X轴方向始终对准失效旋转目标的抓捕对接口矢量，Z轴与抓捕对接口矢 量和旋转角速度矢量垂直，Y轴构成右手坐标系。
7. 根据权利要求3所述的失效旋转目标逼近的6-D0F协同制导方法，其特征在于，所述 追踪星相对于失效旋转目标的相对轨道运动学方程为： 其中
为追踪星相对于失效旋转目标的相对位 置矢量；μ表示地球引力常数；和re分别表示失效旋转目标和追踪星在惯性系下的位置 大小；f表示追踪星上的控制力；表示追踪星的质量；X、y和z表示轨道系下追踪星与 失效旋转目标相对位置在三轴的分量；沒表示真近点角。
8. 根据权利要求3所述的失效旋转目标逼近的6-D0F协同制导方法，其特征在于，追踪 星本体系P相对于期望坐标系D转换矩阵
，其中追踪星本体系P相对 于惯性系N的转换矩阵可通过追踪星本体系相对于惯性系的姿态MRP参数&计算，轨 道系Η相对于惯性系N的转换矩阵Cw可通过失效旋转目标的轨道根数计算，期望坐标系D 相对于轨道坐标系Η的转换矩阵
已知Cpp可得到追踪星本体系相对于期望坐标系的姿态偏差办g和角速度偏差邊m， 其中
表示追踪星本体系P相对于失效旋转目标本体 系B的转换矩阵；表示失效旋转目标期望坐标系相对于惯性系的期望角速度；》^表示 失效旋转目标本体系相对于惯性系的旋转角速度表示追踪星本体系相对于惯性系的 角速度；则追踪星本体系相对于期望坐标系的相对姿态运动学方程为
其中表示3x3矩阵，且
9. 根据权利要求1或4所述的失效旋转目标逼近的6-D0F协同制导方法，其特征在于， 所述轨道控制律为
式中JT、_P为正定矩阵;
为追踪星的质量；相对位置 跟踪误差为e = r - / ;相对速度跟踪误差为<r2 = * - Z。
10. 根据权利要求1或4所述的失效旋转目标逼近的6-D0F协同制导方法，其特征在 于，所述姿态控制律为
其中弋表示追踪星转动惯量，（气X)表示％的反对称矩阵；ι?表示切换函数；I、J 和ε为控制参数，都是3x3矩阵；和Jiu分别表示追踪星本体系相对于期望坐标系的 姿态偏差MRP参数和姿态偏差角速度；
表示双曲正切函数。
【文档编号】G05D1/00GK104252172SQ201310260625
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2013年6月27日 优先权日:2013年6月27日
【发明者】侯建文, 于朝霞, 韩飞, 武海雷, 贺亮, 徐帷 申请人:上海新跃仪表厂
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