基于线性伪谱模型预测控制的航天器编队制导方法和系统.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN114253291A(43)申请公布日2022.03.29(21)申请号202111536437.3(22)申请日2021.12.15(71)申请人北京航空航天大学地址100082北京市海淀区学院路37号(72)发明人杨良陈万春王冲冲(74)专利代理机构北京超凡宏宇专利代理事务所(特殊普通合伙)11463代理人张萍(51)Int.Cl.G05D1/10(2006.01)权利要求书2页说明书15页附图3页(54)发明名称基于线性伪谱模型预测控制的航天器编队制导方法和系统(57)摘要本发明提供了一种基于线性伪谱模型预测控制的航天器编队制导方法和系统，包括：基于目标航天器编队的初始状态和编队构型关系，确定目标航天器编队的主航天器的预测轨道和伴随航天器的终端状态；基于预测轨道和终端状态，确定目标航天器编队的相对运动扰动方程；基于高斯伪谱方法，将相对运动扰动方程离散化，得+到终端状态修正的线性关系式；结合线性关系式和二次型性能指标，构建增广性能指标；基于最优控制问题求解方法，对增广性能指标进行求解，推导获得伴随航天器的控制变量解析解。本发明缓解了现有技术中存在的对航天器编队的最优控制问题求解效率低的技术问题。CN114253291ACN114253291A权利要求书1/2页1.一种基于线性伪谱模型预测控制的航天器编队制导方法，其特征在于，包括：基于目标航天器编队的初始状态和编队构型关系，确定所述目标航天器编队的主航天器的预测轨道和伴随航天器的终端状态；基于所述预测轨道和所述终端状态，确定所述目标航天器编队的相对运动扰动方程；所述相对运动扰动方程为表征所述主航天器和所述伴随航天器之间的相对运动的线性方程；基于高斯伪谱方法，将所述相对运动扰动方程离散化，得到终端状态修正的线性关系式；所述线性关系式为所述伴随航天器的初始变化、终端变化和控制变量之间的线性关系计算表达式；结合所述线性关系式和二次型性能指标，构建增广性能指标；基于最优控制问题求解方法，对所述增广性能指标进行求解，推导获得所述伴随航天器的控制变量解析解。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：基于高斯伪谱方法和预设乘子，对所述相对运动扰动方程进行处理，得到所述伴随航天器的初始协态估计；所述预设乘子为与所述伴随航天器的终端状态约束相关的拉格朗日乘子；基于所述初始协态估计，确定所述伴随航天器的初始控制变量。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述预测轨道和所述终端状态，确定所述目标航天器编队的相对运动扰动方程，包括：基于所述终端状态，构建所述伴随航天器的轨道动力学方程；所述轨道动力学方程包括目标扰动项；所述目标扰动项为地球J2项摄动所引起的加速度相关的扰动项；将所述轨道动力学方程围绕所述预测轨道进行泰勒级数展开，并忽略高阶项，得到所述目标航天器编队的相对运动扰动方程。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于最优控制问题求解方法，对所述增广性能指标进行求解，推导获得所述伴随航天器的控制变量解析解，包括：基于KKT条件对所述增广性能指标进行求解，得到所述伴随航天器的控制变量解析解。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于高斯伪谱方法，将所述相对运动扰动方程离散化，得到终端状态修正的线性关系式，包括：将所述相对运动扰动方程的时域转移到预设时间区间；所述预设时间区间为拉格朗日插值多项式的支撑点选定时间区间；所述拉格朗日插值多项式的支撑点包括‑1和勒让德多项式的根；基于所述拉格朗日插值多项式，将转移到所述预设时间区间之后的相对运动扰动方程转化为目标代数方程；基于所述目标代数方程和高斯离散正交规则，计算所述伴随航天器的最终状态变化；所述最终状态变化包括位置和速度的最终变化；基于所述伴随航天器的最终状态变化，确定所述终端状态修正的线性关系式。6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：以所述伴随航天器的初始控制变量作为所述伴随航天器的初始控制输入，以所述伴随航天器的控制变量解析解作为所述伴随航天器制导过程中的控制输入，对所述目标航天器2CN114253291A权利要求书2/2页编队进行重构制导。7.一种基于线性伪谱模型预测控制的航天器编队制导系统，其特征在于，包括：第一确定模块，第二确定模块，第一计算模块，第二计算模块和求解模块；其中，所述第一确定模块，用于基于目标航天器编队的初始状态和编队构型关系，确定所述目标航天器编队的主航天器的预测轨道和伴随航天器的终端状态；所述第二确定模块，用于基于所述预测轨道和所述终端状态，确定所述目标航天器编队的相对运动扰动方程；所述相对运动扰动方程为表征所述主航天器和所述伴随航天器之间的相对运动的线性方程；所述第一计算模块，用于基于高斯伪