一种基于多星串行释放的非合作航天器电磁捕获方法

1.本发明属于航空航天技术领域，具体涉及一种基于多星串行释放的非合作航天器电磁捕获方法。


背景技术：

2.近年来航天技术取得急速发展与重大突破，各种复杂结构的航天器层出不穷且大型航天器的数量急剧增多，未来航天器在执行非合作航天器捕获任务时必须拥有灵活多变、应用广泛、抗干扰能力强等特点。
3.传统非合作航天器捕获问题通常采用航天器加单捕获装置的结构，例如附带机械臂、飞网和鱼叉等装置，这些捕获方法各有利弊，面向特殊元件的机械臂装置容易发生刚性碰撞，不易发生刚性碰撞的飞网装置应用范围小，适应多种形状目标的鱼叉装置容易产生空间碎片及羽流污染。而且上述各装置都只能应对相对简单且范围小的捕获任务，同时，在实际应用中单星装置出现故障的情况难以避免，航天器加单捕获装置的结构在出现故障后捕获任务将很难继续顺利进行。
4.因此，面向复杂非合作航天器在轨操控，可采用多星协作与电磁对接方式实现捕获接管，具有高容错、无刚性碰撞、无碎片产生、无羽流污染、灵活多变且应用范围广等优势。


技术实现要素：

5.为了达到上述发明目的，本发明提供的一种基于多星串行释放的非合作航天器电磁捕获方法，包括以下步骤：
6.s1、主体航天器串行释放捕获卫星；
7.s2、捕获卫星飞寻非合作航天器所在区域的多个特征点，并将结果反馈给主体航天器；
8.s3、主体航天器计算各区域最优特征点，并将结果生成控制指令发送给各区域捕获卫星；
9.s4、捕获卫星收到指令后飞抵各最优特征点，并在该点通过电磁对接方式完成逐次捕获，形成接管组合体；
10.s5、对接管组合体进行惯性参数辨识，并将辨识误差导致的姿态动力学系统不确定项归结于综合扰动形成参数辨识增强效果；
11.s6、设计基于干扰观测器的控制器，通过力矩分配原则发送指令至各捕获卫星执行机构，以此实现对非合作航天器的电磁捕获接管；
12.所述步骤s1中的主体航天器和捕获卫星，主体航天器用于承载和释放捕获卫星，接收捕获卫星传回的信息，并根据得到的信息进行分析计算，生成控制指令发送给捕获卫星；捕获卫星从主体航天器上被串行释放，装有电磁线圈装置、相机、轨道/姿态控制模块和星间通信模块，用于寻找被分配区域的特征点，并在最优特征点处与非合作航天器对接，并
根据主体航天器发出的控制指令完成对该非合作航天器的接管；
13.所述步骤s4中的接管组合体，为多个捕获卫星在各自最优特征点通过电磁对接方式完成捕获接管后形成的组合体。
14.本发明的有益效果为：
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是捕获卫星安装电磁线圈装置，通过软对接方式避免与非合作航天器的刚性碰撞，同时有效避免羽流污染且拥有连续、可逆和同步可控性；此外，当某个捕获卫星发生故障时，可及时增派其他捕获卫星或重新分配力矩做出实时调整，对整个捕获任务影响较小；而且该方法针对不同大小和结构的航天器采用不同的方案，可应对多种复杂非合作航天器捕获任务。
附图说明
16.图1为本发明提供的一种基于多星串行释放的非合作航天器电磁捕获方法流程图；
17.图2为本发明的主体航天器串行释放捕获卫星示意图；
18.图3为捕获卫星最优特征点分配流程图；
19.图4为本发明的捕获卫星电磁对接装置。
具体实施方式
20.结合图1说明本实施方式，一种基于多星串行释放的非合作航天器电磁捕获方法包括以下步骤：
21.s1、主体航天器串行释放捕获卫星；
22.s2、捕获卫星飞寻非合作航天器所在区域的多个特征点，并将结果反馈给主体航天器；
23.s3、主体航天器计算各区域最优特征点，并将结果生成控制指令发送给各区域捕获卫星；
24.s4、捕获卫星收到指令后飞抵各最优特征点，并在该点通过电磁对接方式完成逐次捕获，形成接管组合体；
25.s5、对接管组合体进行惯性参数辨识，并将辨识误差导致的姿态动力学系统不确定项归结于综合扰动形成参数辨识增强效果；
26.s6、设计基于干扰观测器的控制器，通过力矩分配原则发送指令至各捕获卫星执行机构，以此实现对非合作航天器的电磁捕获接管。
27.所述步骤s1中主体航天器串行释放捕获卫星；具体过程为：
28.主体航天器环绕非合作航天器飞行一周，同时每转过一定角度释放一定量捕获卫星，使捕获卫星均匀分散在非合作航天器四周；
29.其中，主体航天器用于承载和释放捕获卫星，接收捕获卫星传回的信息，并根据得到的信息进行分析计算，生成控制指令发送给捕获卫星；捕获卫星从主体航天器上被串行释放，装有电磁线圈装置、相机、轨道/姿态控制模块和星间通信模块，用于寻找被分配区域的特征点，并在最优特征点处与非合作航天器对接，并根据主体航天器发出的控制指令完成对该非合作航天器的接管。
30.所述步骤s2中捕获卫星飞寻非合作航天器所在区域的多个特征点，并将结果反馈给主体航天器；具体过程为：
31.捕获卫星被主体航天器释放后到达分配的工作区域，通过相机在该区域寻找可以与之电磁对接的所有特征点，并基于星间通信模块将各特征点在非合作航天器上的具体位置信息发送给主体航天器。
32.所述步骤s3中主体航天器计算各区域最优特征点，并将结果生成控制指令发送给各区域捕获卫星；具体过程为：
33.主体航天器对收到的多个特征点进行整理，计算出适合后续对非合作航天器进行接管的最优特征点分布，再根据该分布规划各捕获卫星的轨迹，并将结果生成控制指令发送给各区域捕获卫星。
34.所述步骤s4中捕获卫星收到指令后飞抵各最优特征点，并在该点通过电磁对接方式完成逐次捕获，形成接管组合体；具体过程为：
35.收到主体航天器的控制指令后，有对接要求的捕获卫星跟踪轨迹飞抵对应的最优特征点，无对接要求的捕获卫星返回主体航天器，或主体航天器增派捕获卫星跟踪轨迹飞抵对应最优特征点，并在该点通过电磁装置与非合作航天器进行电磁对接，与其形成接管组合体。
36.所述步骤s5中对接管组合体进行惯性参数辨识，并将辨识误差导致的姿态动力学系统不确定项归结于综合扰动形成参数辨识增强效果；具体过程为：
37.主体航天器对多个捕获卫星与非合作航天器组成的接管组合体的转动惯量进行参数辨识，将辨识误差即参数辨识结果与实际转动惯量的差导致的姿态动力学系统不确定项，归结于综合扰动，形成对接管组合体转动惯量的参数辨识增强效果。
38.所述步骤s6中设计基于干扰观测器的控制器，通过力矩分配原则发送指令至各捕获卫星执行机构，以此实现对非合作航天器的电磁捕获接管；具体过程为：
39.设计干扰观测器降低综合扰动的影响，观测出等效干扰并在控制器设计时引入等效补偿，再通过力矩分配原则对接管组合体进行力矩分配，生成控制指令发送至各捕获卫星的执行机构，以此实现对非合作航天器的电磁捕获接管。
40.结合图2，所述的主体航天器串行释放捕获卫星示意图，主体航天器环绕非合作航天器一周，每隔九十度释放两个捕获卫星，即在图中1、2、3和4点释放；两捕获卫星寻找特征点的区域，分别为主体航天器轨道两侧，从当前释放位置到下一个释放点所包含的八分之一圆的区域；
41.其中，串行释放间隔的角度可以根据非合作航天器的大小和结构进行调整。
42.结合图3，所述的捕获卫星最优特征点分配流程图，具体过程如下：
43.主体航天器对收到的各区域全部特征点进行整理，计算出适合后续对非合作航天器进行接管的最优特征点分布，考虑距离、时间和能量最优原则，针对以下三种不同情况规划捕获卫星的轨迹：
44.当最优特征点数量小于当前的捕获卫星数量时，根据最优原则找到需要进一步完成对接任务的捕获卫星并规划轨迹，使有对接要求的捕获卫星跟踪轨迹飞抵对应的最优特征点，无对接要求的捕获卫星返回主体航天器；
45.当最优特征点数量等于当前的捕获卫星数量时，根据最优原则规划轨迹，使各捕
获卫星跟踪轨迹飞抵对应的最优特征点；
46.当最优特征点数量大于当前的捕获卫星数量时，根据最优原则规划轨迹，使各捕获卫星跟踪轨迹飞抵对应的最优特征点，并从主体航天器增派捕获卫星飞抵其他最优特征点。
47.结合图4，所述的捕获卫星电磁对接装置，每个装置由四个带铁芯的通电螺线管a1(b1或c1)、a2(b2或c2)、a3(b3或c3)、a4(b4或c4)组成，电流由外部太阳能电池板提供，相邻螺线管之间距离相等且关于捕获卫星的质心对称。
48.本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域技术人员可以根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

技术特征：
1.一种基于多星串行释放的非合作航天器电磁捕获方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：s1、主体航天器串行释放捕获卫星；s2、捕获卫星飞寻非合作航天器所在区域的多个特征点，并将结果反馈给主体航天器；s3、主体航天器计算各区域最优特征点，并将结果生成控制指令发送给各区域捕获卫星；s4、捕获卫星收到指令后飞抵各最优特征点，并在该点通过电磁对接方式完成逐次捕获，形成接管组合体；s5、对接管组合体进行惯性参数辨识，并将辨识误差导致的姿态动力学系统不确定项归结于综合扰动形成参数辨识增强效果；s6、设计基于干扰观测器的控制器，通过力矩分配原则发送指令至各捕获卫星执行机构，以此实现对非合作航天器的电磁捕获接管；所述步骤s1中主体航天器串行释放捕获卫星；具体过程为：主体航天器环绕非合作航天器飞行一周，同时每转过一定角度释放一定量捕获卫星，使捕获卫星均匀分散在非合作航天器四周；其中，主体航天器用于承载和释放捕获卫星，接收捕获卫星传回的信息，并根据得到的信息进行分析计算，生成控制指令发送给捕获卫星；捕获卫星从主体航天器上被串行释放，装有电磁线圈装置、相机、轨道/姿态控制模块和星间通信模块，用于寻找被分配区域的特征点，并在最优特征点处与非合作航天器对接，并根据主体航天器发出的控制指令完成对该非合作航天器的接管；所述步骤s2中捕获卫星飞寻非合作航天器所在区域的多个特征点，并将结果反馈给主体航天器；具体过程为：捕获卫星被主体航天器释放后到达分配的工作区域，通过相机在该区域寻找可以与之电磁对接的所有特征点，并基于星间通信模块将各特征点在非合作航天器上的具体位置信息发送给主体航天器；所述步骤s3中主体航天器计算各区域最优特征点，并将结果生成控制指令发送给各区域捕获卫星；具体过程为：主体航天器对收到的多个特征点进行整理，计算出适合后续对非合作航天器进行接管的最优特征点分布，再根据该分布规划各捕获卫星的轨迹，并将结果生成控制指令发送给各区域捕获卫星；所述步骤s4中捕获卫星收到指令后飞抵各最优特征点，并在该点通过电磁对接方式完成逐次捕获，形成接管组合体；具体过程为：收到主体航天器的控制指令后，有对接要求的捕获卫星跟踪轨迹飞抵对应的最优特征点，无对接要求的捕获卫星返回主体航天器，或主体航天器增派捕获卫星跟踪轨迹飞抵对应最优特征点，并在该点通过电磁装置与非合作航天器进行电磁对接，与其形成接管组合体；所述步骤s5中对接管组合体进行惯性参数辨识，并将辨识误差导致的姿态动力学系统不确定项归结于综合扰动形成参数辨识增强效果；具体过程为：主体航天器对多个捕获卫星与非合作航天器组成的接管组合体的转动惯量进行参数
辨识，将辨识误差即参数辨识结果与实际转动惯量的差导致的姿态动力学系统不确定项，归结于综合扰动，形成对接管组合体转动惯量的参数辨识增强效果；所述步骤s6中设计基于干扰观测器的控制器，通过力矩分配原则发送指令至各捕获卫星执行机构，以此实现对非合作航天器的电磁捕获接管；具体过程为：设计干扰观测器降低综合扰动的影响，观测出等效干扰并在控制器设计时引入等效补偿，再通过力矩分配原则对接管组合体进行力矩分配，生成控制指令发送至各捕获卫星的执行机构，以此实现对非合作航天器的电磁捕获接管。

技术总结
本发明公开了一种基于多星串行释放的非合作航天器电磁捕获方法，包括：S1、主体航天器串行释放捕获卫星；S2、捕获卫星飞寻非合作航天器所在区域的多个特征点；S3、主体航天器计算各区域最优特征点；S4、捕获卫星飞抵各最优特征点，并在该点通过电磁对接方式完成逐次捕获，形成接管组合体；S5、对接管组合体进行惯性参数辨识，并将辨识误差导致的姿态动力学系统不确定项归结于综合扰动形成参数辨识增强效果；S6、设计基于干扰观测器的控制器，通过力矩分配原则发送指令至各捕获卫星执行机构，以此实现对非合作航天器的电磁捕获接管。本发明能够克服单星捕获能力弱且易与非合作航天器发生刚性碰撞的缺陷，可应对多种复杂非合作航天器捕获任务。器捕获任务。器捕获任务。


技术研发人员：刘闯 马怡青 岳晓奎 丁一波
受保护的技术使用者：西北工业大学深圳研究院
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/8/9