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申请/专利权人：哈尔滨工业大学

摘要：本发明提出航天器推力布局及姿轨一体化控制方法。所述方法首先，考虑近年来航天任务中对多航天器联合工作的需求，研究航天器在伴飞任务要求中的飞行性能，建立了与主航天器之间的耦合相对运动模型。随后，针对航天器之间相对距离较小且主航天器做椭圆轨道运动的特点，设计基于Hill方程的增益制导方法，并结合滑模变结构姿态控制，统一获得航天器的姿态轨道控制指令。进而，根据力与力矩指令统一分配推进器开关逻辑，实现制导控制。最终，通过仿真实验，验证了新型航天器推力器布局方案的可行性与有效性。

主权项：1.航天器推力布局及姿轨一体化控制方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：步骤一：设计航天器非质心推力器布局方案，建立非质心飞行器动力学与运动学方程；步骤二：将非质心推进航天器作为追踪飞行器，建立与主航天器之间的耦合相对运动模型，设计基于Hill制导和滑模变结构姿态控制方法的姿轨一体化控制方案；步骤三：针对非质心推进航天器无法实现任意状态控制的特点，设计基于开关逻辑方法的控制指令执行方案；步骤四：结合前几步设计的模型与制导控制策略，进行非质心推进航天器伴飞任务的仿真实验分析；在步骤一中，非质心推进航天器使用液体脉冲发动机实现变轨与姿态控制，分别在航天器质心前端和质心后端安装发动机；定义航天器的弹体坐标系O1-x1y1z1为：原点O1为伴飞航天器质心，O1x1轴为伴飞航天器纵轴，正方向为航天器顶部；O1y1轴在航天器弹体纵向平面内，垂直于O1x1轴，正方向为上；O1z1轴由右手定则决定；航天器的质心前端按照十字型安装4台发动机，航天器的质心后端分别设计两种安装方案，一种为十字型安装，称为十字布局航天器，一种为V字型安装，称为V字布局航天器，分别使用6台和4台发动机，设R为航天器的半径；g1到g4为前端发动机的编号；zi为后端发动机的编号，对于十字布局航天器，i＝1,2,…,6，对于V字布局航天器，i＝1,2,…,4；lzh为前端发动机推力作用点在弹体z1轴方向上的距离；ly和lz分别为后端发动机在y1轴和z1轴方向上的距离，ly＝lz；lzh＜ly；在弹体坐标系下，前端发动机工作产生的力和力矩为： 式中，为前端发动机产生的力；为前端发动机产生的力矩；是前端第i个发动机的力的大小，i＝1,2,…,4；十字和V字布局航天器由后端发动机产生的力和力矩分别如式2和式3所示： 式中，为后端发动机产生的力；为后端发动机产生的力矩；是后端第i个发动机的力的大小，对于十字布局航天器，i＝1,2,…,6，对于V字布局航天器，i＝1,2,…,4；定义地心惯性坐标系OI-xIyIzI为：原点OI为地心，OIxI轴为地球赤道平面与黄道平面的交线，正方向指向春分点；OIzI垂直于OIxI轴，正方向指向北极；OIyI轴在赤道平面内且垂直于OIxI轴，正方向由右手定则决定，则非质心推进航天器的质心运动方程为： 式中：r为非质心推进航天器在地心惯性系中的位置；g为所受地球引力加速度；a为航天器发动机产生的加速度；xI、yI和zI表示航天器在地心惯性坐标系中的位置分量，和表示航天器在地心惯性坐标系中的速度分量；采用基于欧拉角的姿态运动学方程，航天器的转动动力学方程和运动学方程为 式中，Jx、Jy、Jz为航天器沿自身弹体坐标系的转动惯量；ωx、ωy、ωz为航天器的旋转角速率；为前端发动机产生的力矩；为后端发动机产生的力矩；γ分别为航天器的俯仰角、偏航角和滚转角；为主航天器的轨道角速度；在步骤二中，主航天器进入椭圆轨道后，释放非质心推进航天器作为伴飞航天器，通过制导到达轨道坐标系下[-1000]Tm的相对位置，以此检验非质心推进航天器的变轨与姿态控制能力；在步骤二中，采用椭圆轨道上的Hill制导方法设计非质心推进航天器的伴飞制导方案；定义航天器的轨道坐标系Og-xgygzg为：原点Og为主航天器质心，Ogyg轴垂直于轨道面，正方向与主航天器飞行运动的角动量方向相反；Ogzg轴垂直于Ogyg轴，正方向指向地心；Ogxg轴由右手定则决定；在主航天器轨道坐标系下建立主航天器与伴飞航天器的相对运动方程： 式中，k≡μh32＝const，h为主航天器的动量矩，ax、ay、az为作用在伴飞器上的加速度在轨道坐标系三个轴上的分量；设θ0和θ分别为当前时刻和Hill制导终止时刻的真近点角，e为主航天器椭圆轨道的偏心率，令： 式中，ρ＝1+ecosθ；s′＝cosθ+ecos2θ；s＝ρsinθ；c′＝-sinθ+esin2θ； c＝ρcosθ；令加速度为0，求解式8的状态转移矩阵，得到轨道面内的Hill制导方法为： 轨道面外的Hill制导方法为： 式中，x0、y0和z0分别为当前时刻轨道坐标系下的相对位置；xt、yt和zt分别为Hill制导终止时刻应该到达的轨道坐标系下的相对位置；和分别为当前时刻轨道坐标系下应该有的相对速度；和分别为Hill制导终止时刻轨道坐标系下应该有的相对速度。

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