基于废弃卫星姿态章动特性的网捕载荷发射窗口选择方法与流程

本发明属于卫星网捕废弃卫星技术领域，涉及基于废弃卫星姿态章动特性的网捕载荷发射窗口选择方法。

背景技术：

利用网捕载荷捕获废弃卫星并将其拖曳至坟墓轨道是一种安全有效的轨道环境清理方式。废弃卫星在轨姿态一般会绕其最大惯量轴旋转且伴随不同程度的姿态章动，并章动角是周期性变化的，存在最大章动角和最小章动角。废弃卫星的姿态章动使其本体大尺寸附件，如太阳帆板末端位置在空间不断变化。

根据公开资料可知，目前网捕载荷都是采用直接发射方式，即卫星携带网捕载荷逼近至废弃卫星至合适距离后，直接发射网捕载荷对目标进行捕获，不考虑发射窗口选择问题。这种直接发射方式针对姿态稳定或姿态章动较小的废弃卫星能够实现可靠捕获，但当废弃卫星姿态章动较大时，其章动会导致捕获时网体提前一段时间接触废弃卫星本体大尺寸附件末端，并会因其章动运动卷绕网体，致使网体构型紊乱导致网捕失败。另受限于工程约束，网捕载荷尺寸不可能无限大，故采用直接发射方式的网捕载荷必然存在一定的章动角捕获适应范围，并且针对姿态章动较大的废弃卫星采用直接发射方式是无法实现捕获的。因此需要根据废弃卫星姿态章动规律、网捕载荷章动角适应能力、网捕载荷自发射时刻至捕获的时间宽度等参数来选择发射窗口，解决网捕载荷直接发射不能实现姿态大章动废弃卫星的可靠捕获问题。

目前没有发现与本发明类似相关技术的说明或报道，也尚未收集到国内类似的资料。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出基于废弃卫星姿态章动特性的网捕载荷发射窗口选择方法，根据废弃卫星姿态章动规律、网捕载荷章动角适应能力、网捕载荷自发射时刻至捕获的时间宽度，提供了一种发射窗口选择方法，实现了对大姿态章动废弃卫星的可靠捕获。

本发明解决技术的方案是：

基于废弃卫星姿态章动特性的网捕载荷发射窗口选择方法，包括如下步骤：

步骤一、获取废弃卫星的历史姿态章动规律曲线，并提取章动特性参数，包括最大章动角θmax、最小章动角θmin和章动周期t；

步骤二、根据废弃卫星的历史数据，获得网捕载荷发射时刻为tint，捕获目标时刻为tinf；计算网捕载荷自发射时刻至捕获目标的时间宽度tnet＝tinf-tint；

步骤三、设置网捕载荷不选择窗口直接发射的适应章动角阈值θnet；

步骤四、根据步骤一中废弃卫星的历史姿态章动规律曲线；令单周期内章动角θ＝θnet，将章动角变化率小于零的时刻记为tθj，将章动角变化率大于零的时刻记为tθs；并将tθs记为单章动周期的结束时刻；则计算得到单周期内章动角满足θ≤θnet的时间宽度tθ＝tθs-tθj；

步骤五、根据章动周期t、网捕载荷自发射时刻至捕获目标的时间宽度tnet和单周期内章动角满足θ≤θnet的时间宽度tθ，确定网捕载荷发射窗口的时间宽度δt、发射时刻tint和发射时章动角θ的满足条件。

在上述的基于废弃卫星姿态章动特性的网捕载荷发射窗口选择方法，所述步骤一中，通过三维重建与运动特性识别方法获取废弃卫星的历史姿态章动规律曲线；由卫星姿态动量学知道，章动角是周期性变化的，存在最大章动角和最小章动角。

在上述的基于废弃卫星姿态章动特性的网捕载荷发射窗口选择方法，所述步骤三中，网捕载荷不选择窗口直接发射的适应章动角阈值θnet的满足条件为：

θmin≤θnet≤θmax

且sin(θnet+θε)≤2×λ×v×ts÷l

式中，λ为取值安全系数，λ为0.4-0.6；

l为在轨废弃卫星包络尺寸；l小于等于40m；

v为网捕载荷接触废弃卫星时飞行速度，v大于等于6m/s；

ts为网捕载荷完成收拢网口的时间，ts小于等于1.5s；

θε为章动角识别误差，小于等于3°。

在上述的基于废弃卫星姿态章动特性的网捕载荷发射窗口选择方法，所述步骤五中，确定网捕载荷发射窗口的时间宽度δt、发射时刻tint和发射时章动角θ的满足条件的具体方法为：

s1、当tnet≤tθ时，即每个章动周期内有1次发射窗口，则发射窗口的时间宽度δt＝tθ-tnet；发射时刻tint满足条件tθj≤tint≤tθj+tθ-tnet；发射时章动角θ满足条件θ(tθj+tθ-tnet)≤θ≤θnet；其中，θ(tθj+tθ-tnet)表示tθj+tθ-tnet时刻的废弃卫星的章动角；

s2、当tθ<tnet<0.5×(tθ+t)时，发射窗口时间宽度δt＝t-tnet，发射时刻tint满足条件0≤tint≤tθs-tnet；发射时章动角θ及章动角变化率满足条件

s3、当0.5×(tθ+t)≤tnet≤t时，发射窗口时间宽度δt＝t-tnet，发射时刻tint满足条件0≤tint≤tθs-tnet；发射时章动角θ及章动角变化率满足条件

s4、当tnet>t时，每fix(tnet÷t)+1对周期取整，每个章动周期内有1次发射窗口；其中，fix(tnet÷t)表示对tnet÷t取整，记δtnet＝tnet-fix(tnet÷t)×t；则当δtnet≤tθ时，转化为s1中的的情况，继续判断；当tθ<δtnet<0.5×(tθ+t)时转化为s2中的情况，继续判断；当0.5×(tθ+t)≤δtnet≤t时，转化为s3的情况，继续判断。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明提出的一种基于废弃卫星姿态章动特性的网捕载荷发射窗口选择方法，根据废弃卫星姿态章动规律、网捕载荷章动角适应能力、网捕载荷自发射时刻至捕获的时间宽度，提供了一种发射窗口选择方法；

(2)本发明提出的方法解决了网捕载荷直接发射不能实现姿态大章动废弃卫星的可靠捕获问题，为飞行器利用网捕载荷移除空间废弃卫星提供了先决条件。

附图说明

图1为本发明发射窗口选择流程图；

图2为本发明满足tnet≤tθ条件发射窗口示意图；

图3为本发明满足tθ<tnet<0.5×(tθ+t)条件发射窗口示意图；

图4为本发明满足0.5×(tθ+t)≤tnet≤t条件发射窗口示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明提供基于废弃卫星姿态章动特性的网捕载荷发射窗口选择方法，根据废弃卫星姿态章动规律、网捕载荷章动角适应能力、网捕载荷自发射时刻至捕获的时间宽度，提供了一种发射窗口选择方法，实现了对大姿态章动废弃卫星的可靠捕获。

基于废弃卫星姿态章动特性的网捕载荷发射窗口选择方法，如图1所示，具体包括如下步骤：

步骤一、获取废弃卫星的历史姿态章动规律曲线，并提取章动特性参数，包括最大章动角θmax、最小章动角θmin和章动周期t；一般是通过三维重建与运动特性识别方法获取废弃卫星的历史姿态章动规律曲线；由卫星姿态动量学知道，章动角是周期性变化的，存在最大章动角和最小章动角。

步骤二、根据废弃卫星的历史数据，获得网捕载荷发射时刻为tint，捕获目标时刻为tinf；计算网捕载荷自发射时刻至捕获目标的时间宽度tnet＝tinf-tint；一般通过网捕载荷发射展开过程的数学仿真来获取时间宽度tnet，属于网捕载荷的固有特性参数，为常值。

步骤三、设置网捕载荷不选择窗口直接发射的适应章动角阈值θnet；网捕载荷不选择窗口直接发射的适应章动角阈值θnet的满足条件为：

θmin≤θnet≤θmax

且sin(θnet+θε)≤2×λ×v×ts÷l

式中，λ为取值安全系数，λ为0.4-0.6；

l为在轨废弃卫星包络尺寸；l小于等于40m；

v为网捕载荷接触废弃卫星时飞行速度，v大于等于6m/s；

ts为网捕载荷完成收拢网口的时间，ts小于等于1.5s；

θε为章动角识别误差，小于等于3°。

步骤四、根据步骤一中废弃卫星的历史姿态章动规律曲线；令单周期内章动角θ＝θnet，将章动角变化率小于零的时刻记为tθj，将章动角变化率大于零的时刻记为tθs；并将tθs记为单章动周期的结束时刻；则计算得到单周期内章动角满足θ≤θnet的时间宽度tθ＝tθs-tθj；

步骤五、根据章动周期t、网捕载荷自发射时刻至捕获目标的时间宽度tnet和单周期内章动角满足θ≤θnet的时间宽度tθ，确定网捕载荷发射窗口的时间宽度δt、发射时刻tint和发射时章动角θ的满足条件。

确定网捕载荷发射窗口的时间宽度δt、发射时刻tint和发射时章动角θ的满足条件的具体方法为：

s1、当tnet≤tθ时，即每个章动周期内有1次发射窗口，则发射窗口的时间宽度δt＝tθ-tnet；发射时刻tint满足条件tθj≤tint≤tθj+tθ-tnet；发射时章动角θ满足条件θ(tθj+tθ-tnet)≤θ≤θnet；其中，θ(tθj+tθ-tnet)表示tθj+tθ-tnet时刻的废弃卫星的章动角；如图2所示，图中虚线框内位发射窗口(窗口宽度)，粗实线为网捕载荷自发射时刻至捕获目标的时间宽度。

s2、当tθ<tnet<0.5×(tθ+t)时，发射窗口时间宽度δt＝t-tnet，发射时刻tint满足条件0≤tint≤tθs-tnet；发射时章动角θ及章动角变化率满足条件如图4所示，图中虚线框内位发射窗口，粗实线为网捕载荷自发射时刻至捕获目标的时间宽度。

s3、当0.5×(tθ+t)≤tnet≤t时，发射窗口时间宽度δt＝t-tnet，发射时刻tint满足条件0≤tint≤tθs-tnet；发射时章动角θ及章动角变化率满足条件如图3所示，图中虚线框内位发射窗口，粗实线为网捕载荷自发射时刻至捕获目标的时间宽度。

s4、当tnet>t时，每fix(tnet÷t)+1对周期取整，每个章动周期内有1次发射窗口；其中，fix(tnet÷t)表示对tnet÷t取整，记δtnet＝tnet-fix(tnet÷t)×t；则当δtnet≤tθ时，转化为s1中的的情况，继续判断；当tθ<δtnet<0.5×(tθ+t)时转化为s2中的情况，继续判断；当0.5×(tθ+t)≤δtnet≤t时，转化为s3的情况，继续判断。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。