一种面向非合作目标捕获的变构型航天器系统及方法

1.本发明涉及一种面向非合作目标捕获的变构型航天器系统及方法，属于深空探测技术领域。


背景技术：

2.随着空间在政治、经济、军事等领域内的战略地位日益提高，空间博弈斗争尤为凸显大国的核心能力，是未来战争中夺得制天权及制信息权的重要基础，而对非合作目标捕获是空间博弈中的重要手段之一。此外，空间碎片问题的严重性和迫切性已受到各航天国家、组织的高度重视，且由于大型空间碎片(废弃航天器/火箭体)可能诱发空间碎片级联碰撞效应，使得近地球轨道的大型碎片成为碎片清除的首要对象。与此同时，随着航天技术的深入与快速发展，人类探索范围逐渐扩张向遥远的深空，太阳系内的小行星是形成太阳系初期，对其开展深入研究有望揭示太阳系的起源、组成与演化机制。大型空间碎片、小天体均属于非合作目标，无法提供用于辅助捕获的专用接口，发展通用操控机构和方法实现对各类目标的可靠捕获与稳定连接，难度极大。难度体现在：首先，不确定性因素多。小行星质量、自转特性、地形地貌、岩石和风化层等参数目前均无法直接获得，只能通过模型分析，与其他小天体和地面陨石比对等方式进行推算，具有较大不确定性，空间碎片和惯量和运动参数也未知。其次，捕获目标特性差异大。大型空间碎片、小行星及数量多、形状各异、结构尺寸存在较大差异，小行星自转周期从百秒级到十几天，且具有引力场弱、不规则等特性。
3.因此，本领域的技术人员致力于开发一种新的捕获非合作目标的方法，解决现有拓展手段不足。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种面向非合作目标捕获的变构型航天器系统及方法。
5.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
6.本发明提供了一种面向非合作目标捕获的变构型航天器系统，其特征在于，所述面向非合作目标捕获的变构型航天器系统由主节点、次节点、机械接口、电推、绳索收放机构、太阳翼等部分组成。所述主节点、次节点之间通过机械接口相连接，每个主节点和次节点上均布置有电推和太阳翼，每个主节点和次节点内部均有一组绳索收放机构。
7.绳驱变体航天器作业方案(围捕流程)，分为四个阶段，分别为组合体阶段、展开阶段、包络阶段和合围阶段：
8.1)刚体组合体飞行至目标附近：在抵达捕获目标位置之前，绳索收于绳索收放机构中，该变构型航天器主、次节点之间通过接口固连，是完整的环形刚性组合体，利用主、次节点航天器上的电推运动到目标位置；
9.2)组合体自旋展开为环带：抵达捕获目标位置后，绳索收放机构释放绳索，刚性组合体在节点的推进下展开成绳连接的编队环带；
10.3)环带外包络目标：对非合作目标进行观测，获取其几何形状及运动状态，利用卡尔曼滤波方法对其运动进行预测，利用动态博弈方法和人工势场法规划期望包络构型，主节点和次节点在电推的作用下跟踪该期望构型，并考虑变轨所消耗的燃料、安全性、随动运动状态的保持消耗因素，综合考虑不同阶段的所关注的重点约束，分别对重构燃料消耗函数、碰撞风险评估函数赋予权重系数，引入包含上述约束的构型竞争度概念为目标函数，计算目标函数极值得到多重约束条件下的局部或全局最优结果，在经过初步筛选后，利用自适应粗粒度并行遗传算法、鸽群算法、神经网络智能算法可对最优解在解空间中进行搜索，获取所需要的最优解，利用主节点和次节点上电推产生的连续小推力将非合作目标包络在编队环带中，使绳索保持松弛状态；
11.4)环带合围目标：当各个节点对非合作目标完成包络后，绳索收放机构收紧绳索，实现随动状态及最终节点利用绳索收紧的合围状态。
12.本发明一种面向非合作目标捕获的变构型航天器系统及方法，具有如下优势：(1)灵活通用，调整绳索长度可以对不同尺寸目标进行围捕；(2)对目标表面情况无特殊要求，因为其工作原理为当航天器完成对非合作目标的包络后，收紧绳索，使得航天器紧紧箍住目标，依靠的是绳索收紧使航天器牢固附着于目标表面，特别是小行星探测时不依赖于表面地质情况；(3)可利用绳索收紧力为钻取采样提供足够的附着力，解决弱引力条件下吸附问题。
附图说明
13.图1为驱变体航天器结构设计图；
14.图2为绳驱变体航天器作业流程图；
15.图3为基于对偶四元数描述的航天器坐标系及其他矢量图；
16.图4为绳索动力学建模示意图；
17.图5为拖曳坐标系与本体坐标系示意图；
18.图6为航天器的反馈控制框图；
具体实施方式
19.下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
20.实施例一：本实施例所涉及的一种面向非合作目标捕获的变构型航天器系统及方法，如图1所示，该变构型航天器由主节点、次节点、机械接口、电推、绳索收放机构、太阳翼等部分组成。所述主节点、次节点之间通过机械接口相连接，每个主节点和次节点上均有电推和太阳翼，每个主节点和次节点内部均有一组绳索收放机构。
21.绳驱变体航天器作业方案(围捕流程)，分为四个阶段，如图2所示，分别为组合体阶段、展开阶段、包络阶段和合围阶段：
22.1)刚体组合体飞行至目标附近：在抵达捕获目标位置之前，绳索收于绳索收放机构中，该变构型航天器主、次节点之间通过接口固连，是完整的环形刚性组合体，利用主、次节点航天器上的电推运动到目标位置；
23.2)组合体自旋展开为环带：抵达捕获目标位置后，绳索收放机构释放绳索，刚性组
合体在节点的推进下展开成绳连接的编队环带；
24.3)包络阶段：对非合作目标进行观测，获取其几何形状及运动状态，利用卡尔曼滤波方法对其运动进行预测，利用动态博弈方法和人工势场法规划期望包络构型，主节点(1)和次节点(2)在电推(4)的作用下跟踪该期望构型，并考虑变轨所消耗的燃料、安全性、随动运动状态的保持消耗因素，综合考虑不同阶段的所关注的重点约束，分别对重构燃料消耗函数、碰撞风险评估函数赋予权重系数，引入包含上述约束的构型竞争度概念为目标函数，计算目标函数极值得到多重约束条件下的局部或全局最优结果，在经过初步筛选后，利用自适应粗粒度并行遗传算法、鸽群算法、神经网络智能算法可对最优解在解空间中进行搜索，获取所需要的最优解，利用主节点(1)和次节点(2)上电推(4)产生的连续小推力将非合作目标包络在编队环带中，使绳索保持松弛状态；
25.4)环带合围阶段：在非合作目标上预先规划停泊区域，节点跟踪期望合围构型，绳索收放机构收紧绳索，实现随动状态及最终节点利用绳索收紧的合围状态。
26.绳驱变体航天器变体及编队过程动力学建模采用的技术路线如下，首先开展分布式节点质心相对姿轨一体化动力学建模，在对偶代数框架下，建立惯性坐标系、以非合作目标质心系为参考的参考坐标系和节点质心系的本体坐标系和期望构型中的期望坐标系，坐标系及其他矢量如图3所示，主要涉及以下坐标系：
27.1)惯性坐标系：本文面向的小行星为太阳系小行星，因此取日心黄道坐标系作为惯性系，记作ψi。
28.2)相对运动参考坐标系：坐标原点o位于小行星质心，x轴由日心指向小行星，z轴沿小行星角动量方向，y轴与x轴和z轴构成右手正交坐标系。
29.3)本体坐标系：第i个组合体节点本体坐标系记作ψi，原点位于第i个节点质心，三个坐标轴方向分别与航天器惯性主轴重合，小行星本体坐标系记作ψc，三个坐标轴方向分别与小行星惯性主轴重合。
30.4)期望坐标系：第i个组合体节点本体坐标系记作ψ
ti
，此坐标系根据任务需求而定，为一个虚拟的坐标系，描述了组合体节点坐标系ψi的最终期望相对状态。
31.单位对偶四元数，可以用来描述坐标系的六自由度运动，既包含转动运动，也包含平动运动。对于坐标系ψc到坐标系ψi的变换，可以由四元数q
ic
转动后再接平动运动p
ic
，也可先平移后旋转，利用对偶四元数可描述为：
[0032][0033]
式中，为坐标系ψc到坐标系ψi变换的对偶四元数，q
ic
为第i个组合体节点本体坐标系相对于小行星本体坐标系ψc的姿态四元数，和分别为第i个组合体节点质心相对于小行星质心的位置矢量在坐标系ψc和坐标系ψi下的分量，为参考坐标系相对于惯性坐标系的对偶四元数的共轭，为节点i体坐标系相对于惯性坐标系的对偶四元数，ε为对偶单元。
[0034]
工程上一般采用如下式四元数表示的刚体转动运动学方程：
[0035][0036]
式中，ω
iic
、ω
cic
为第i个组合体节点质心相对于小行星质心的角速度矢量在坐标系ψi和坐标系ψc下的分量。
[0037]
对式1求导并带入式2，可以得到：
[0038][0039]
定义：
[0040][0041]
可以得到：
[0042][0043][0044]
为研究坐标系ψc相对于惯性系ψi的动力学方程，首先给出如下对偶矢量：
[0045][0046]
式中，为第i个组合体节点的对偶角动量，为满足定义的相对于惯性系的第i个组合体节点的对偶角速度，为第i个组合体节点的对偶惯性矩阵，具体定义为：
[0047][0048]
式中，mi,ji分别为第i个组合体节点质量及转动惯量，i3×3为三阶单位矩阵。
[0049]
对式(8)求导，可得：
[0050][0051]
式中，为各个节点所受外力。
[0052]
由的定义和差值特性可知，还可以写为：
[0053][0054]
式中，为第i个组合体节点本体坐标系相对于小行星本体坐标系ψc的姿态四元数的共轭，为满足定义的相对于小行星本体坐标的小行星本体的对偶角速度。
[0055]
对式11求导，并带入式10、7可得：
[0056][0057]
通常的当相对速度旋量容易测得时，可将式11改写为：
[0058][0059][0060]
式中，为节点i的对偶合外力，为对偶控制力，为对偶引力，包括太阳引力与小行星非规则弱引力，为有界不可预测的对偶干扰力，为第i个组合体节点收到其他节点连接绳索的对偶绳索力。
[0061]
在此基础上，开展节点间绳系系统动力学建模，如图4所示，绳索两端节点航天器运动状态作为边界条件，将模型简化为可变长度多刚体串联连杆，质量集中在球铰，且相邻连杆间为无摩擦、无轴向伸缩、扭转、材料阻尼。绳索受力考虑重力与弱引力，建立连杆运动学方程与球铰动力学方程，并通过张力迭代矩阵迭代求解。将求解的绳索拖曳力，结合绳索连接拓扑图的拉普拉斯矩阵，转换成两端节点的对偶绳索力，详细过程如下：
[0062]
为了更好的对绳索进行动力学建模，将定义本体坐标系和拖曳坐标系，详细如下图5所示。
[0063]
本体坐标系：该坐标系与节点本体坐标系一致，第i个组合体节点本体坐标系记作ψi，原点位于第i个节点质心，三个坐标轴方向分别与航天器惯性主轴重合。
[0064]
拖曳坐标系：由于绳索连接点未必通过质心，且为方便后续理论推导，特建此坐标系。拖曳坐标系三个坐标轴与本体坐标系分别平行，仅将坐标系原点置于与节点j连接的拖曳点，记作
[0065]
为了区分不同坐标系下的绳索力，特定义为对偶绳索力与拖曳力，详细如下图6所示。拖曳力指两节点间的绳索作用于拖曳点的力，对偶绳索力指所有的与节点相连接绳索拖曳力转换到本体坐标系后矢量加和后的对偶力。具体定义如下：
[0066]
定义作用于节点i拖曳点的与节点j拖曳点绳索拖曳力：
[0067]
[0068]
式中为作用于节点i拖曳点的与节点j拖曳点绳索拖曳力的x、y、z分量。
[0069]
将作用于节点i拖曳点的与节点j拖曳点绳索拖曳力转化到组合体节点质心，可表示为：
[0070][0071]
式中，为第i个节点的本体坐标系下对偶绳索力，分别为节点本体坐标系下的绳索力与绳索力矩，lb为第i个节点质心指向绳索出入口的位移矢量。
[0072]
将所有与节点i相连接的拖曳力矢量加和后可得节点i的对偶绳索力，表示如下：
[0073][0074]
现已将需要求解的对偶绳索力转换为需要求解的两拖曳点间的拖曳力。
[0075]
假设两个节点i与j之间存在绳索连接关系，此时节点i的拖曳点线速度与加速度分别定义为和其值可通过节点质心的运动状态和节点质心指向绳索出入口的位移矢量进行换算，节点j同理定义，不再赘述。
[0076]
在拖拽坐标系中，做如下定义：
[0077]
将绳索分为可变长度的等长段，并将质量集中于球铰，由几何关系可得：
[0078]rk
＝r
k-1
+δk(16)
[0079]
式中，rk,r
k-1
分别为球铰k和球铰k-1在坐标系中的位置矢量，δk为球铰k指向球铰k-1的空间距离矢量。
[0080]
可将δk写成单位矢量与长度的形式，具体形式为：
[0081]
δk＝lkn＝lk[sinθ
k1
cosθ
k2
,cosθ
k1
cosθ
k2
,sinθ
k2
]
t
(17)
[0082]
式中，lk表示随时间变化的连杆k的长度，n为δk的单位矢量，其自变量为θ
k1
,θ
k2
，分别对应连杆k相对于平面z
wowyw
和x
wowyw
的偏转角。
[0083]
对式17分别求一阶和二阶微分，可得：
[0084][0085]
且由于拖拽坐标系与惯性系存在姿态变化，对式12求微分可得：
[0086][0087]
推导易得：
[0088][0089]
由上述关系可知：
[0090][0091]
将式20分别乘和15、16带入可得到：
[0092][0093][0094]
即达到了连杆k的运动方程，其中：
[0095][0096]
式中含有12个自变量，可以循环迭代求解所有连杆在两节点姿态影响下的运动规律。
[0097]
然后对连杆的动力学开始分析。
[0098]
根据牛顿第二定律，假设球铰k的加速度ak为；
[0099][0100]
式中，qk为球铰k受到的外力，主要为太阳引力与小行星引力，tk和t
k+1
为连杆k与连杆k+1的内部张力。mk＝lkρ为连杆k的质量(集中于对应球铰)，ρ为绳索密度。
[0101]
由于tk为绳索内力，无法直接测得，需要引入外部约束条件进行实时解算。
[0102]
由式18可知满足以下约束：
[0103][0104]
对式26求二阶微分，可得：
[0105][0106]
且有如下关系：
[0107][0108]
nk＝[sinθ
k1
cosθ
k2
,cosθ
k1
cosθ
k2
,sinθ
k2
]
t
(29)
[0109][0110][0111]
tk＝-tknk(32)
[0112]
由相邻连杆加速度关系可得：
[0113][0114]
将式26带入23，得到相邻杆张力的代数线性方程组：
[0115][0116]
特殊的，对于起始边界点，可得关系为：
[0117][0118]
起始边界代数方程：
[0119][0120]
换成张力形式：
[0121][0122]
终点边界，可得终点边界连杆加速度关系：
[0123][0124]
终点边界杆加速度代数方程：
[0125][0126]
终点边界杆张力代数方程：
[0127][0128]
将得到张力代数方程组写成矩阵形式，可得：
[0129][0130]
通过求解得到连杆间内应力，迭代求解即可得到绳索状态，至此，节点间绳索建模已完成。
[0131]
围捕构型规划与智能调控策略思路如下，根据非合作目标运动状态、几何外形、跟踪过程损耗燃料、碰撞安全性四点约束条件，自主在线规划期望停泊构型、包络构型、合围构型并开展构型重构优化。在单独约束条件下，如安全性约束，设置安全避障距离，采用人工势场法，以节点间相对距离为变量的势能函数实现可避免节点间的碰撞和节点与障碍物的碰撞。多约束条件下，需要考虑变轨所消耗的燃料、安全性、随动运动状态的保持消耗等因素，综合考虑不同阶段的所关注的重点约束，分别对重构燃料消耗函数、碰撞风险评估函数赋予权重系数，引入包含上述约束的构型竞争度概念为目标函数，计算目标函数极值得到多重约束条件下的局部或全局最优结果，构型优化实为多解的搜索问题，在经过初步筛选后，利用自适应粗粒度并行遗传算法、鸽群算法、神经网络等智能算法可对最优解在解空间中进行搜索。
[0132]
节点的控制框图如图6所示，将期望构型中的各个节点的期望位置、姿态和速度作为期望输入(节点的期望位置相对非合作目标的6自由度变换对偶四元数及对偶旋量)，将节点运动状态反馈(节点的实际位置相对非合作目标的6自由度变换对偶四元数及对偶旋量)，得到相对误差，利用分布式自适应轨迹跟踪控制器，利用电推作为执行器，产生控制力与控制力矩输入到节点的动力学模型中。绳索动力学与节点动力学强耦合，即节点动力学模型包含对偶绳索力，绳索动力学模型又依赖于绳索两端节点的运动状态，因此先执行节点的对偶控制力，再执行绳索收放机构迭代。
[0133]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

技术特征：
1.一种面向非合作目标捕获的变构型航天器系统，其特征在于，所述面向非合作目标捕获的变构型航天器系统包括主节点(1)、次节点(2)、机械接口(3)、电推(4)、绳索收放机构(5)和太阳翼(6)，每个主节点(1)和次节点(2)上均设有电推(4)、太阳翼(6)和机械接口(3)，每个主节点(1)和次节点(2)内部均设有一组绳索收放机构(5)，相邻的节点通过绳索和机械接口(3)连接，多余的绳索收缩在绳索收放机构(5)内，太阳翼(6)吸收太阳能并分别对各个节点进行充电。2.根据权利要求1所述的一种面向非合作目标捕获的变构型航天器系统，其特征在于，变构型航天器系统为异构组合体，由一个主节点和n个次节点组成，其中n≥2。3.如权利要求1-2所述的一种面向非合作目标捕获的变构型航天器系统的方法，其特征在于，所述一种面向非合作目标捕获的变构型航天器方法具体步骤为：1)组合体飞行至非合作目标附近：利用主节点(1)和次节点(2)上的电推进行轨道机动，使得组合体接近非合作目标；2)组合体自旋展开为环带：抵达非合作目标位置后，各个节点之间的机械接口(3)断开，绳索收放机构(5)释放绳索，组合体在主节点(1)和次节点(2)上电推(4)的推进下展开成绳连接的编队环带；3)环带外包络目标：对非合作目标进行观测，获取其几何形状及运动状态，利用卡尔曼滤波方法对其运动进行预测，利用动态博弈方法和人工势场法规划期望包络构型，主节点(1)和次节点(2)在电推(4)的作用下跟踪该期望构型，并考虑变轨所消耗的燃料、安全性、随动运动状态的保持消耗因素，综合考虑不同阶段的所关注的重点约束，分别对重构燃料消耗函数、碰撞风险评估函数赋予权重系数，引入包含上述约束的构型竞争度概念为目标函数，计算目标函数极值得到多重约束条件下的局部或全局最优结果，在经过初步筛选后，利用自适应粗粒度并行遗传算法、鸽群算法、神经网络智能算法可对最优解在解空间中进行搜索，获取所需要的最优解，利用主节点(1)和次节点(2)上电推(4)产生的连续小推力将非合作目标包络在编队环带中，使绳索保持松弛状态；4)环带合围目标：当各个节点对非合作目标完成包络后，绳索收放机构(5)收紧绳索，实现随动状态及最终节点利用绳索收紧的合围状态。

技术总结
本发明提供了一种面向非合作目标捕获的变构型航天器系统及方法,属于深空探测领域,所述方法包含以下步骤：1)刚体组合体飞行至目标附近；2)组合体自旋展开为环带；3)环带外包络目标；4)环带合围目标。大型空间碎片和小天体均属于非合作目标，无法提供用于辅助捕获的专用接口，发展通用操控机构和方法实现对各类目标的可靠捕获与稳定连接，难度极大。为了解决该问题，本发明利用星间连接为可控长度绳索的多颗可控卫星展开形成环状多体绳系卫星编队系统，按预定轨迹对大尺度、几何外形复杂、运动状态及惯性信息具有较大不确定性的非合作目标开展环带包络后合围绳索实现捕获。具有适用性高、灵活性及智能性高、可重复使用和体积小等优点。小等优点。小等优点。


技术研发人员：黄意新 杨宇 曾凡康 张慧博 钱昌政 田浩 赵阳
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.01.10
技术公布日：2023/6/7