能够对目标进行消旋和接管的化学分子卫星和控制方法

摘要

本发明公开了一种能够对目标进行消旋和接管的化学分子卫星和控制方法，化学分子卫星构造为大致正二十面体，化学分子卫星包括原子卫星和机械臂，原子卫星至少部分地设置在正二十面体的顶角处，机械臂用于连接相邻的原子卫星，原子卫星包括一级卫星、二级卫星、三级卫星和接管‑推进组合原子卫星，一级卫星和三级卫星均至少部分地构造为消旋功能原子卫星；接管‑推进组合原子卫星包括相互连接的接管功能原子卫星和推进功能原子卫星，并连接至二级卫星。相邻的原子卫星能够借助机械臂相互组合或者分离，以使得化学分子卫星能够捕获和释放目标卫星。由此，可以捕获失效自旋的目标卫星，并能够释放接管‑推进组合原子卫星接管该目标卫星的姿轨系统。

说明书

技术领域

本发明涉及卫星控制技术领域，尤其涉及一种能够对目标进行消旋和接管的化学分子卫星和控制方法。

背景技术

人造卫星是遵循轨道力学规律长期环绕地球或其它行星飞行、执行在轨任务的航天器，其可以实现多种功能，例如可以实现对地监测、天文观测、通信转播以及科学研究。针对非合作目标的在轨服务是当前航天在轨应用发展的一大热点。其中，非合作目标是指接口不适配、失效或损坏的航天飞行器，针对这类非合作目标，对其进行在轨维修和升级意义重大。

现有技术中，对失效自旋的非合作目标的捕获难度较大，为了提高捕获成功率，可以先对目标进行消旋处理，现有的消旋方式包括两种，一种为接触式消旋，例如刷子消旋，另一种为非接触式消旋，例如电磁消旋。当目标消旋处理结束之后，需要与目标进行对接，以接管目标的姿控系统。例如，近期MEV-1卫星实现了全球第一次商业在轨服务，成功地与Intelsat 901卫星实现了对接并接管了该目标卫星的运行。然而，对于此次在轨服务，目标卫星并没有完全失效，而且用于接管的控制卫星需要长期与该目标卫星保持连接以便于提供服务。因此，针对失效自旋卫星的在轨服务，以及旅行商计划式高重复利用率的在轨服务，都是目前急需解决的技术难题。

发明内容

为至少部分地解决上述现有技术中存在的技术问题，根据本发明的第一方面，提供了一种能够对目标进行消旋和接管的化学分子卫星。

本发明的技术方案如下：

一种能够对目标进行消旋和接管的化学分子卫星，所述化学分子卫星构造为大致正二十面体，其中，所述化学分子卫星包括原子卫星和机械臂，所述原子卫星至少部分地设置在所述正二十面体的顶角处，所述机械臂用于连接相邻的所述原子卫星，所述原子卫星包括：

一级卫星，所述一级卫星的数量为三个，三个所述一级卫星设置在所述正二十面体的顶角处且大致位于同一平面内，并且三个所述一级卫星经由所述机械臂相互连接并形成等边三角形，所述一级卫星至少部分地构造为消旋功能原子卫星；

二级卫星，所述二级卫星的数量为六个，六个所述二级卫星设置在所述正二十面体的顶角处且邻接至所述一级卫星，并且六个所述二级卫星经由所述机械臂依次连接并形成为环状；

三级卫星，所述三级卫星的数量为三个，三个所述三级卫星设置在所述正二十面体的顶角处且大致位于同一个平面内，并且三个所述三级卫星经由所述机械臂相互连接并形成等边三角形，所述三级卫星至少部分地构造为消旋功能原子卫星；以及

接管-推进组合原子卫星，所述接管-推进组合原子卫星连接至所述二级卫星的内侧，所述接管-推进组合原子卫星包括相互连接的接管功能原子卫星和推进功能原子卫星；

其中，相邻的所述原子卫星能够借助所述机械臂相互组合或者分离，以使得所述化学分子卫星能够捕获和释放目标卫星。

可选地，所述原子卫星还包括观测功能原子卫星，所述观测功能原子卫星设置在相邻的所述二级卫星之间，并能够经由所述机械臂连接至所述二级卫星。

可选地，所述机械臂包括臂体、第一连接部和第二连接部，所述第一连接部和所述第二连接部分别设置在所述臂体的两端，并且，所述第一连接部和所述第二连接部在结构上能够相互连接。

可选地，所述第一连接部和所述第二连接部均包括：

弯折部分，所述弯折部分连接至所述臂体的端部；以及

旋转部分，所述旋转部分连接至所述弯折部分，所述旋转部分远离所述弯折部分的一端能够连接外部设备；

其中，所述弯折部分绕垂直于所述臂体的轴向方向的第一旋转轴可旋转地连接至所述臂体的端部，所述旋转部分绕垂直于所述第一旋转轴的第二旋转轴可旋转地连接至所述弯折部分。

可选地，相邻的所述原子卫星之间设置有至少一个双机械臂，所述双机械臂由两个所述机械臂相互连接形成。

可选地，相邻的所述原子卫星之间设置有三个所述双机械臂，其中，

相邻的所述双机械臂之间通过所述第一连接部和所述第二连接部的连接而连接，和/或相邻的所述双机械臂通过设置在其之间的所述原子卫星相互连接。

根据本发明的第二方面，提供了一种控制方法，所述控制方法用于如本发明的第一方面中任一项所述化学分子卫星，所述控制方法包括：

移动并捕获目标卫星；

观测并获取所述目标卫星的运动状态，同时对所述目标卫星进行消旋处理；

释放所述接管-推进组合原子卫星，并使得所述接管-推进组合原子卫星连接至所述目标卫星；

释放所述目标卫星。

可选地，所述释放所述接管-推进组合原子卫星，并使得所述接管-推进组合原子卫星中的接管功能原子卫星连接至所述目标卫星，包括：

预测所述接管-推进组合原子卫星在[k,k+N

通过优化得到所述接管-推进组合原子卫星在[k,k+N

基于所述控制序列，调整所述接管-推进组合原子卫星的运动状态；

重复预测所述接管-推进组合原子卫星的状态输出，并反复优化所述接管-推进组合原子卫星的运动状态。

可选地，所述预测所述接管-推进组合原子卫星在[k,k+N

将预测的所述接管-推进组合原子卫星的状态输出离散化处理，预测的所述接管-推进组合原子卫星的运动状态离散化处理后为：X(k+1)＝A(k)X(k)+B(k)u(k)；

其中，X(k)为预测的所述接管-推进组合原子卫星在k时刻的运动状态，A(k)为X(k)的系数矩阵，B(k)为u(k)的系数矩阵，u(k)为预测的所述接管-推进组合原子卫星在k时刻的控制量大小。

可选地，在对所述接管-推进组合原子卫星的运动状态离散化处理后，设采样时间为T，则其离散化为：X(k+1)＝(I+TA(k))X(k)+(TB(k))u(k)；

其中，I为单位矩阵。

本发明技术方案的主要优点如下：

本发明的化学分子卫星构造为大致正二十面体，该化学分子卫星包括原子卫星和机械臂，原子卫星之间通过机械臂相互连接，原子卫星包括设置在该正二十面体的顶点处的一级卫星、二级卫星和三级卫星，以及连接至二级卫星的接管-推进组合原子卫星，并且，相邻的原子卫星能够借助机械臂相互组合或者分离，以使得化学分子卫星能够捕获和释放目标卫星。在使用时，该化学分子卫星可以根据需求捕获失效自旋的目标卫星，并且可以释放接管-推进组合原子卫星接管该目标卫星的姿轨系统。与现有技术相比，本发明中的化学分子卫星能够在在轨服务中捕获和接管失效自旋的目标卫星，并且可以在太空轨道中重复使用。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

在附图中：

图1为根据本发明的一个实施方式中的化学分子卫星的结构示意图；

图2为图1所示的化学分子卫星中各个功能卫星的分布示意图；

图3为图1中化学分子卫星中的接管-推进组合原子卫星的结构示意图；

图4为本实施方式中的化学分子卫星捕获目标卫星的状态示意图，其中，化学分子卫星形成的捕获笼为打开状态；

图5为本实施方式中化学分子卫星中的接管-推进组合原子卫星与目标卫星的星箭对接环对接时的状态示意图；

图6为图1中化学分子卫星中的观测功能原子卫星进行观测的状态示意图；

图7为根据本发明的一个实施方式中的控制方法的流程示意图；

图8为图7中所示控制方法中的模型预测控制的原理图；

图9为本实施方式的控制方法中误差限内时间与误差限及目标角速度之间的关系示意图；

图10为本实施方式的控制方法中对姿态动力学的离散与连续求解的对比图，其中，x、y、z为接管-推进组合原子卫星在目标卫星本体坐标系下的三轴坐标；

图11为本实施方式的控制方法中避撞曲线的拟合原理图；

图12为本实施方式的控制方法中借助仿真不考虑接管-推进组合原子卫星的外形的避撞曲线图；

图13为本实施方式的控制方法中借助仿真考虑接管-推进组合原子卫星的外形的避撞曲线图；

图14为本实施方式的控制方法中借助仿真预测的接管-推进组合原子卫星运动的结果示意图；

图15为图14中又一个视角的结果示意图；以及

图16为本实施方式的控制方法中借助仿真预测的不同位置的接管-推进组合原子卫星运动的结果示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。

如图1至图16所示，在根据本发明的一个实施方式中，提供了一种能够对目标进行消旋和接管的化学分子卫星，该化学分子卫星可以根据需求捕获失效自旋的目标卫星，并且可以释放接管-推进组合原子卫星接管该目标卫星的姿轨系统。

如图1和图2所示，本实施方式中的化学分子卫星构造为大致正二十面体，化学分子卫星包括原子卫星和机械臂。原子卫星至少部分地设置在该正二十面体的顶角处，机械臂用于连接相邻的原子卫星。其中，原子卫星包括一级卫星、二级卫星、三级卫星和接管-推进组合原子卫星。

具体地，一级卫星的数量为三个，该三个一级卫星设置在正二十面体的顶角处且大致位于同一平面内，该三个一级卫星经由机械臂相互连接并形成等边三角形，并且一级卫星至少部分地构造为消旋功能原子卫星；二级卫星的数量为六个，该六个二级卫星设置在正二十面体的顶角处且邻接至一级卫星，并且六个二级卫星经由机械臂依次连接并形成为环状；三级卫星的数量为三个，该三个三级卫星设置在正二十面体的顶角处且大致位于同一个平面内，三个三级卫星经由机械臂相互连接并形成等边三角形，并且三级卫星至少部分地构造为消旋功能原子卫星；接管-推进组合原子卫星连接至二级卫星的内侧。此外，在本实施方式中，相邻的原子卫星能够借助机械臂相互组合或者分离，以使得化学分子卫星能够捕获和释放目标卫星。

优选地，在本实施方式中，原子卫星均构造为正十二面体，其十二个表面至少部分地设置有连接装置，并且部分原子卫星的表面还设置有功能装置，原子卫星借助连接装置可以连接机械臂或者其他原子卫星，借助功能装置则可以执行部分特定的功能。例如，消旋功能原子卫星上的功能装置为电磁消旋装置，借助该电磁消旋装置能过采取非接触的方式对目标卫星进行消旋处理。

此外，如图3所示，接管-推进组合原子卫星包括相互连接的接管功能原子卫星和推进功能原子卫星。接管功能原子卫星上的功能装置为栓锁装置，栓锁装置可以包括三个闩锁爪，借助该三个个闩锁爪可使得接管功能原子卫星采取类似于三爪卡盘的闩锁机构方式与目标卫星的星箭对接环进行连接。推进功能原子卫星上的功能装置则可以为电/气推进组合系统，借助电/气推进组合系统可以驱动该原子卫星在空间中移动。

在实际应用中，当化学分子卫星需要对失效自旋的目标卫星进行捕获和接管时，化学分子卫星可以移动至目标卫星附近，同时，如图4所示，化学分子卫星中的部分原子卫星可以在机械臂的作用下相互分离，例如可以选定其中一个二级卫星，连接至该二级卫星的所有机械臂中仅保留一个机械臂与原子卫星连接，其余的机械臂均与其他原子卫星分离，并在机械臂的驱动下使得该二级卫星朝向外侧移动，以在化学分子卫星的侧部形成捕获笼的开口，之后移动该化学分子卫星使得目标卫星进入化学分子卫星的内部，以实现对目标卫星的抓捕。然后，化学分子卫星中的机械臂再次移动并与之前断开连接的原子卫星重新连接，从而使得化学分子卫星形成为正二十面体的完整的捕获笼。再之后，消旋功能原子卫星以非接触的方式对目标卫星进行消旋处理。

当目标卫星消旋至与化学分子卫星同步运动后，化学分子卫星中的接管-推进组合原子卫星与二级卫星分离，接管-推进组合原子卫星在推进功能原子卫星的驱动下逐渐靠近并与目标卫星相互对接，从而控制目标卫星的姿轨运动。最后，化学分子卫星释放目标卫星，以便于重复执行后续的其他任务。

在本实施方式中，消旋功能原子卫星是采取电磁消旋的方式对目标卫星进行消旋处理，这种非接触的方式可以避免损坏目标卫星。而且，当目标卫星进入化学分子卫星形成的捕获笼之后，消旋卫星可以从多个角度立体地对目标卫星进行消旋处理，可以大大的提高消旋的效率。

接管功能原子卫星和推进功能原子卫星均设置在二级卫星朝向目标卫星的内侧，当目标卫星消旋至与化学分子卫星同步运动后，推进功能原子卫星将与二级卫星分离并在电/气推进组合系统驱动下带动接管功能原子卫星朝向目标卫星的星箭对接环移动，之后，如图5所示，接管功能原子卫星的栓锁装置能够有效地连接至目标卫星的星箭对接环，从而便于后续接管目标卫星的姿轨系统。

为了有效地观测目标卫星的运动状态，在本实施方式中，如图1所示，原子卫星还包括观测功能原子卫星，观测功能原子卫星可以设置在相邻的二级卫星之间，并能够经由机械臂连接至二级卫星。观测功能原子卫星上的功能装置可以为可见光照相机、电视摄像机、多光谱照相机或多光谱扫描仪等。由此，该观测功能原子卫星能够远程对目标卫星进行观测。

如图6所示，相邻的二级卫星之间均设置有观测功能原子卫星，当化学分子卫星捕获目标卫星后，观测功能原子卫星能够全角度观测目标卫星的运动状态。

优选地，一级卫星与二级卫星之间也可以设置有观测功能原子卫星，观测功能原子卫星可以借助机械臂与一级卫星和二级卫星连接。

更优选地，二级卫星与三级卫星之间同样也可以设置有观测功能原子卫星，观测功能原子卫星可以借助机械臂与二级卫星和三级卫星连接。

在一个具体的实施例中，如图2所示，化学分子卫星中的原子卫星包括：基础原子卫星、观测功能原子卫星、推进功能原子卫星、接管功能原子卫星、消旋功能原子卫星。相邻的原子卫星之间通过机械臂连接，其中，基础原子卫星由带有“★”符号的卫星表示，观测功能原子卫星由带有“●”符号的卫星表示，推进功能原子卫星由带有“◆”符号的卫星表示，接管功能原子卫星由带有“▲”符号的卫星表示，消旋功能原子卫星由带有“■”符号的卫星表示。

在本实施方式中，机械臂包括臂体、第一连接部和第二连接部，第一连接部和第二连接部分别设置在臂体的两端，并且，第一连接部和第二连接部在结构上能够相互连接。同时，第一连接部和第二连接部均能够连接至原子卫星。

具体地，为了保证机械臂能够有效地连接至外部设备，在本实施方式中，第一连接部和第二连接部均包括弯折部分和旋转部分。其中，弯折部分连接至臂体的端部，旋转部分连接至弯折部分，旋转部分远离弯折部分的一端能够连接外部设备。而且，弯折部分绕垂直于臂体的轴向方向的第一旋转轴可旋转地连接至臂体的端部，旋转部分绕垂直于第一旋转轴的第二旋转轴可旋转地连接至弯折部分。由此，机械臂能够借助第一连接部和第二连接部有效地控制被连接的外部设备能够沿各个方向移动。

进一步地，相邻的原子卫星之间设置有至少一个双机械臂，双机械臂由两个机械臂相互连接形成。由此，可以保证化学分子卫星能够产生较大的变形，从而能够适用于各种体积大小不同的目标卫星，而且还可以在化学分子卫星上设置更多的原子卫星，以便于更加方便地捕获和接管目标卫星。

在一个具体的实施例中，假设该化学分子卫星形成的正二十面体的边长为a，原子卫星之间依靠多个双机械臂连接，相邻的两个原子卫星之间的双机械臂的数量为m，单个机械臂的轴向长度为1568mm，原子卫星最小宽度为700mm。为了避免目标卫星与化学分子卫星之间发生碰撞，则该正二十面体的内切球的直径需要大于禁飞球的直径。

当目标卫星所形成的禁飞球的半径为8m时，则：

m(1568×2+700)＝a；

计算得到m＝2.76≈3，此时，相邻的原子卫星之间需要设置至少三个双机械臂。

在本实施方式中，如图1所示，相邻的原子卫星之间设置有三个双机械臂，其中，相邻的双机械臂之间可以通过其中一个的第一连接部和另一个的第二连接部的连接而相互连接，例如，一级卫星与二级卫星之间的双机械臂以及二级卫星与三级卫星之间的双机械臂是通过第一连接部和第二连接部的连接而连接的。此外，相邻的双机械臂之间还可以通过设置在其之间的原子卫星相互连接。例如，二级卫星之间的两个双机械臂之间设置有原子卫星，例如观测功能原子卫星，则该两个双机械臂的端部可以同时连接至观测功能原子卫星，以形成连接。

可以理解，本实施方式中的原子卫星包括三个一级卫星和三个三级卫星，该一级卫星和三级卫星均为消旋功能原子卫星。原子卫星还包括六个二级卫星，二级卫星至少部分地构造为基础原子卫星，该基础原子卫星能够实现常规的飞行功能，例如存储信息，接收太阳能充电等，该六个二级卫星的内侧均连接有接管-推进组合原子卫星。而且，相邻的二级卫星之间设置有依次连接的三个双机械臂，该三个双机械臂之间依次间隔设置有观测功能原子卫星和基础原子卫星。

进一步地，在根据本发明的实施方式中，还提供了一种控制方法，该控制方法可用于本实施方式中的化学分子卫星，借助该控制方法可以更加有效地捕获和接管目标卫星。

具体地，如图7所示，该控制方法包括：

移动并捕获目标卫星；

观测并获取所述目标卫星的运动状态，同时对所述目标卫星进行消旋处理；

释放所述接管-推进组合原子卫星，并使得所述接管-推进组合原子卫星连接至所述目标卫星；

释放所述目标卫星。

在实际应用中，可以控制化学分子卫星移动以捕获目标卫星，当目标卫星移动至化学分子卫星形成的捕获笼内部之后，可以借助观测功能原子卫星能够观测目标卫星，通过计算机算法等获取目标卫星的运动状态，同时可以通过消旋功能原子卫星对目标卫星进行消旋处理，当目标卫星消旋至与化学分子卫星同步运行后，释放接管-推进组合原子卫星，并控制接管-推进组合原子卫星连接至目标卫星的星箭对接环以实现对目标卫星的接管，最后，释放该目标卫星。由此，通过上述控制方法能够控制化学分子卫星有效地接管失效自旋的目标卫星。

进一步地，接管-推进组合原子卫星从化学分子卫星脱离后需要运动到目标卫星的指定位置，从而与目标卫星进行对接，其中，接管-推进组合原子卫星在运动的过程中需要避免与目标卫星发生碰撞。

在本实施方式中，接管-推进组合原子卫星在化学分子卫星上为环状分布，当接管-推进组合原子卫星与化学分子卫星上的星箭对接环处于同一侧时，该接管-推进组合原子卫星可以直接向目标卫星的指定位置运动而无需过多考虑避撞，当接管-推进组合原子卫星与星箭对接环处于异侧时，接管-推进组合原子卫星需要避开目标卫星上的各个装置而绕行，同时，为了使消耗的燃料最小，还需要对化学分子卫星和目标卫星的整个姿轨同步过程进行优化。

对此，在上述控制方法中，在释放所述接管-推进组合原子卫星，并使得所述接管-推进组合原子卫星连接至所述目标卫星，包括：

预测所述接管-推进组合原子卫星在[k,k+N

通过优化得到所述接管-推进组合原子卫星在[k,k+N

基于所述控制序列，调整所述接管-推进组合原子卫星的运动状态；

重复预测所述接管-推进组合原子卫星的状态输出，并反复优化所述接管-推进组合原子卫星的运动状态。

为了让接管-推进组合原子卫星能够安全地连接至目标卫星，在本实施方式中，如图8所示，对于接管-推进组合原子卫星的模型预测控制分为预测模型、滚动优化和反馈矫正三个步骤。其中，模型预测能够预测接管-推进组合原子卫星在未来一段时长[k,k+N

其中，预测模型阶段需要将运动状态进行离散化处理，接管-推进组合原子卫星的运动状态离散化处理后为：X(k+1)＝A(k)X(k)+B(k)u(k)；公式一

其中，X(k)为预测的所述接管功能原子卫星在k时刻的运动状态，A(k)为X(k)的系数矩阵，B(k)为u(k)的系数矩阵，u(k)为预测的所述接管功能原子卫星在k时刻的控制量大小。其中，在轨道控制中是控制加速度，在姿态控制中是控制力矩，在这里统称为控制量。

接管-推进组合原子卫星在运动的过程中具有六个自由度，对于六自由度姿轨耦合模型，耦合项本身为非线性项，线性化处理再离散将会使得耦合消除，因此可以将姿轨分开进行离散化处理。

首先，对于轨道离散动力学模型，需要建立目标卫星本体坐标系上的轨道动力学模型，获取目标卫星本体坐标系下的化学分子卫星的相对运动方程：

其中，ρ为接管-推进组合原子卫星在目标本体坐标系下的位置矢量；t为时间；ω

将上式写状态空间形式为：

其中，ρ为接管-推进组合原子卫星在目标本体坐标系下的位置矢量；0

优选地，在进行离散化处理的过程中，设采样时间为T，则其离散化的公式为：

X(k+1)＝(I+TA(k))X(k)+(TB(k))u(k)；公式五

其中，I为单位矩阵；

需要指出的是，当目标卫星消旋后为对地定向运动时，此时目标卫星本体坐标系与轨道坐标系重合，目标卫星本体坐标系下的轨道运动方程将为C-W方程，C-W方程自身的线性特征将会使得离散无控的预测结果与真实连续运动状态下求得的结果没有偏差。

其次，对于姿态离散动力学，假设接管功能原子卫星本体坐标系{B

其中，ω

对于接管功能原子卫星，其姿态动力学可以表示为：

其中，J

将角速度表达式代入动力学方程中，忽略高阶项，只考虑线性项，可以得到线性化姿态方程：

其中，A

该式也可以进行离散化处理，并且，该式被处理后同样可以得到如公式五所示的离散表达式。

在本实施方式中，姿态动力学的非线性特征更强，相比于近圆轨道可以线性化的动力学模型，姿态动力学的非线性特征决定了其离散化和连续非线性的求解误差将会比轨道动力学更大，以下将对该误差进行分析比较。

假设求解得到的相对角速度为

此时，假设三个方向角速度都在误差限内的时间为t，当目标为旋转目标时，目标的角速度大小为ω

为了确保本实施方式中的控制方法的可行性，以下将借助matlab通过仿真的方式来进行验证。在该仿真中，将轨道动力学与姿态动力学的离散方程进行合并，目标模型的状态变量由6维拓展为12维。

具体地，如图11所示，选择起始点、终点以及目标卫星的帆板顶点这三个点作为拟合点，选用matlab的smooth函数进行快速拟合而得到多项式曲线，将此设定为避撞曲线。当不考虑接管-推进组合原子卫星的外形时，其可避撞的曲线为图12所示。在本实施方式中，接管-推进组合原子卫星包括相互连接的接管功能原子卫星和推进功能原子卫星，其外形包括至少两个相互连接的截角八面体，在仿真中可以将其简化为两个边长为0.7m的立方体组合。之后，再对目标卫星的外形进行膨胀化处理，可以得到如图13所示的新的避撞轨迹。

在本次仿真中，获取优化后的接管-推进组合原子卫星的运动轨迹的目标函数为：

则优化问题可以描述为：

其中，J为优化目标函数；k为当前采样序列；i为预测时序；X(k+i)为接管-推进组合原子卫星在k+i时刻的状态；X

将其转化为标准二次规划问题求解，取采样时间T＝1s，预测时域N

选择固定时间为50s，则通过仿真得到的结果为如图14和图15所示。从上述图中可以得出，位置和姿态都收敛到期望状态后，接管-推进组合原子卫星能够有效地绕开目标卫星的帆板，可以实现避撞。而且，接管-推进组合原子卫星最终绕至星箭对接环时会进行轴向自旋，以寻找接口插入点，在其轴向自旋的过程中，接管-推进组合原子卫星中的接管功能原子卫星将会一直指向目标卫星的星箭对接环，且接管-推进组合原子卫星和目标卫星两个的相对速度为0。

本实施方式中，接管-推进组合原子卫星沿周向设置在目标卫星的外侧，对此，在本次仿真中，还可以改变接管-推进组合原子卫星的初始位置，以验证化学分子卫星上周向排列的其他接管-推进组合原子卫星的避撞情况。如图16所示，当改变接管-推进组合原子卫星的初始位置后，接管-推进组合原子卫星依然能够安全地运动至目标卫星的预定位置。

由此可见，在仿真计算中，化学分子卫星上任意位置的接管-推进组合原子卫星能够根据需求安全且有效地运动至目标卫星的预定位置，以便于与目标卫星对接。

在实际的应用场景中，当化学分子卫星需要对某一失效自旋的目标卫星进行接管时，首先，化学分子卫星可以运行至目标卫星附近，借助机械臂的运动，使得部分机械臂与原子卫星断开连接，从而打开化学分子卫星的捕获笼。之后，控制化学分子卫星的移动，使得目标卫星移动至化学分子卫星的捕获笼中，以捕获目标卫星，此时，化学分子卫星中的各个原子卫星将在机械臂的作用下重新连接起来。然后，化学分子卫星中的消旋功能原子卫星将对目标卫星进行消旋处理，直到目标卫星相对于化学分子卫星停止旋转。再之后，化学分子卫星上的接管功能原子卫星与推进功能原子卫星一起脱离化学分子卫星，并通过相应的控制方法安全有效地附着到目标卫星的星箭对接环上实现接管。最后，化学分子卫星释放目标卫星以便于执行后续的其他任务。

可见，在根据本发明的实施方式中，化学分子卫星能够重复地接管太空中失效自旋的目标卫星，并且通过本实施方式中的控制方法能够让接管功能原子卫星有效地运行至目标卫星的预定位置，保证整个接管过程中的安全。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。

最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。