專(zhuān)利名稱(chēng)：基于日地系統(tǒng)Halo軌道探測(cè)器構(gòu)型與姿態(tài)指向的姿態(tài)遞推方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及航天器設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)，是一種基于日地系統(tǒng)Halo軌道探測(cè)器的構(gòu)型與姿態(tài)指向的姿態(tài)遞推方法。
背景技術(shù)：
平動(dòng)點(diǎn)是太陽(yáng)和地球的引力平衡點(diǎn)，運(yùn)行于該點(diǎn)的探測(cè)器可以保持其位置而幾乎不用消耗燃料。同時(shí)，日地系Ll點(diǎn)位于日地之間具有觀測(cè)太陽(yáng)活動(dòng)的天然優(yōu)勢(shì)，用來(lái)監(jiān)測(cè)太陽(yáng)風(fēng)有約一個(gè)小時(shí)的預(yù)警時(shí)間；若將探測(cè)器直接放置在該點(diǎn)附近的Halo軌道，即可滿(mǎn)足觀測(cè)任務(wù)，還可防止通訊信號(hào)被太陽(yáng)風(fēng)湮沒(méi)。到目前為止，NASA和ESA已成功發(fā)射了 6顆平動(dòng)點(diǎn)任務(wù)探測(cè)器international Sun-Earth Explorer 3(ISEE_3):該計(jì)劃由 NASA 和 ESA 合作實(shí)施，并于 1978 年 8 月 12 日經(jīng)由Delta#144火箭發(fā)射到日地系Ll點(diǎn)附近的Halo軌道，用來(lái)探測(cè)太陽(yáng)風(fēng)和宇宙射線(xiàn)，并于1982年6月結(jié)束該項(xiàng)任務(wù)并離開(kāi)Halo軌道。隨后，該探測(cè)器又進(jìn)行了地球磁尾探測(cè)。之后，該探測(cè)器被重新命名為hternational Cometary Explorer(ICE)以進(jìn)行 Giacobini-Zinner 和 Halley 彗星探測(cè)；ICE 預(yù)計(jì)將于 2014 返回地球。hterplanetary Physics Laboratory (又被稱(chēng)為Wind)于1994年11月1日由Delta-II發(fā)射至Ll點(diǎn)附近用來(lái)研究太陽(yáng)風(fēng)對(duì)地磁的影響。Wind任務(wù)是迄今為止飛行軌跡最為復(fù)雜的任務(wù)，創(chuàng)造了多項(xiàng)紀(jì)錄到1997年共進(jìn)行了 38次月球重力輔助飛掠，首次完成月球Back-flip軌跡，首次到達(dá)大幅值順行軌道等。Solar Heliospheric Observatory(SOHO)該計(jì)劃由ESA和NASA 聯(lián)合開(kāi)發(fā)進(jìn)行太陽(yáng)觀測(cè)的任務(wù)，于1995年12月2日由Atlas-II-AS發(fā)射至Ll點(diǎn)的Halo 軌道。SOHO曾因姿態(tài)控制系統(tǒng)故障，一度與地球失去聯(lián)系。后經(jīng)過(guò)營(yíng)救，SOHO不僅完成預(yù)定任務(wù)，隨后還進(jìn)行了擴(kuò)展任務(wù)。Advanced Composition Explorer(ACE)該探測(cè)器于1997 年8月25日由Delta-II-7920火箭發(fā)射升空，用來(lái)研究太陽(yáng)風(fēng)和太陽(yáng)粒子，是第一個(gè)運(yùn)行在真正意義的Lissajou軌道的探測(cè)器。由于跟蹤系統(tǒng)故障，ACE的運(yùn)行狀態(tài)一度受到干擾， 后成功排除。Microwave Anisotropy probe (MAP)于 2001 年 6 月 30 日由 Delta-II-7920 火箭發(fā)射至L2點(diǎn)的Halo軌道，進(jìn)行宇宙背景輻射研究。L2點(diǎn)遠(yuǎn)離太陽(yáng)風(fēng)及宇宙射線(xiàn)的干擾，是進(jìn)行深空觀測(cè)的理想場(chǎng)所，MAP是第一顆運(yùn)行于L2點(diǎn)的探測(cè)器。Genesis 于2001年 8月觀日由Delta-73^火箭發(fā)射至Ll點(diǎn)的Halo軌道，其主要任務(wù)是進(jìn)行太陽(yáng)風(fēng)取樣返回。Genesis于2001年11月16日達(dá)到Halo軌道，在運(yùn)行軌道五圈后，于2004年4月離開(kāi) Halo軌道返回地球?？梢哉f(shuō)，和地球同步軌道一樣，日地系平動(dòng)點(diǎn)軌道是寶貴的空間資源，是人類(lèi)共同的財(cái)富。如何更好地開(kāi)發(fā)和利用這些資源，將是21世紀(jì)航天領(lǐng)域的重點(diǎn)課題。平動(dòng)點(diǎn)軌道與地球軌道有很大區(qū)別，為了計(jì)算得到平動(dòng)點(diǎn)軌道，需要大量時(shí)間和跟蹤數(shù)據(jù)。大多數(shù)平動(dòng)點(diǎn)任務(wù)基于深空網(wǎng)絡(luò)(DSN)的支持，或者世界空間網(wǎng)絡(luò)(USN)等。 先進(jìn)技術(shù)采用Celestial Navigator (CelNav)，CelNav是一個(gè)星載Kalman濾波器，可以
6處理單通道前饋Doppler測(cè)量量和星載姿態(tài)敏感器數(shù)據(jù)。此外還有Very Long Baseline Interferometry(VLBI)測(cè)量，稱(chēng)為 Delta Differenced One-ffay Range (DDOR)，它實(shí)際是一個(gè)從類(lèi)星體附近到探測(cè)器的角度度量，目前已經(jīng)應(yīng)用到一些深空探測(cè)任務(wù)中，如適用于 LPOs。由于Halo軌道目前不具有解析解，因而不能通過(guò)軌道方程設(shè)計(jì)遞推軌道。由于缺乏這些深空探測(cè)網(wǎng)絡(luò)及先進(jìn)星載設(shè)備的支持，目前國(guó)內(nèi)要完成對(duì)于平動(dòng)點(diǎn)軌道任務(wù)的自主導(dǎo)航尚存在很多亟需解決的技術(shù)難題，例如，如何解決姿態(tài)定向問(wèn)題、如何解決遠(yuǎn)距離通訊的時(shí)間延遲及探測(cè)器能源供應(yīng)等。對(duì)于軌道，可通過(guò)地面站指令進(jìn)行修正調(diào)整，然而姿態(tài)變化的頻率相對(duì)軌道要大得多，要實(shí)現(xiàn)高精度指向，必須及時(shí)調(diào)整姿態(tài)，因而不可能通過(guò)地面站測(cè)控實(shí)時(shí)注入姿態(tài)參考基準(zhǔn)(即軌道坐標(biāo)系信息)，必須要求探測(cè)器具有一定的自主定姿與控制能力。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有星載計(jì)算機(jī)無(wú)法獨(dú)立根據(jù)地面注入的軌道測(cè)控信息對(duì)微分方程組進(jìn)行積分，也無(wú)法通過(guò)解析的遞推公式進(jìn)行星上軌道遞推，因而無(wú)法為姿態(tài)確定于控制系統(tǒng)提供姿態(tài)基準(zhǔn)。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種簡(jiǎn)單易行的姿態(tài)自主確定方法，通過(guò)地面站對(duì)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)處理、定期批量上注至探測(cè)器，再由星載計(jì)算機(jī)完成插值計(jì)算軌道參數(shù)與姿態(tài)基準(zhǔn)，最后通過(guò)姿態(tài)敏感器數(shù)據(jù)與星上插值得到的姿態(tài)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)共同得到姿態(tài)信息，可大量減少星載計(jì)算機(jī)的計(jì)算負(fù)荷，數(shù)傳的負(fù)荷也相應(yīng)較小。本發(fā)明一種基于日地系統(tǒng)Halo軌道探測(cè)器構(gòu)型與姿態(tài)指向的姿態(tài)遞推方法，通過(guò)以下步驟來(lái)完成步驟1 定義Halo軌道坐標(biāo)系、日心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系、地心慣性坐標(biāo)系、探測(cè)器軌道坐標(biāo)系及探測(cè)器本體坐標(biāo)系，并得到各個(gè)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣；設(shè)日心、地心、地日質(zhì)心、探測(cè)器分別為S、Ε、Μ、E. S、S/C，且設(shè)& ( Y )為繞k軸轉(zhuǎn)角為Y的旋轉(zhuǎn)矩陣濁=^7，2;Halo軌道坐標(biāo)系F中，原點(diǎn)取于地-日質(zhì)心，χ軸指向地球，ζ軸指向地-日旋轉(zhuǎn)角速度方向；歸一化單位長(zhǎng)度單位[L] = LS_E，LS_E表示太陽(yáng)與地球之間的距離；質(zhì)量單位 [M] =ms+mE，ms，mE分別表示太陽(yáng)、地球的質(zhì)量；時(shí)間單位[T] = (LS_E3/G (ms+mE)) “2，表示地球繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)周期，則地心在F中的坐標(biāo)為(ι-μ 00)，日心在F中的坐標(biāo)為(-μ 00)，其中
mF
μ = ~—；
ms Λ-ηιΕ日心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系FR中，原點(diǎn)取在S ；xE指向E ;ZE沿著地球繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)角速度的方向，^軸滿(mǎn)足笛卡爾右手法則；地心慣性坐標(biāo)系Fi中，原點(diǎn)取在E ;Zi軸垂直于地球赤道平面指向北極；Xi軸指向春分點(diǎn)，Yi軸滿(mǎn)足笛卡爾法則；探測(cè)器軌道坐標(biāo)系FO中，原點(diǎn)取在探測(cè)器的質(zhì)心；χ。指向E ;y0垂直于太陽(yáng)、探測(cè)器、地球所在平面，且與探測(cè)器速度方向成銳角，ζ。軸滿(mǎn)足笛卡爾右手法則；探測(cè)器本體坐標(biāo)系FB中，相對(duì)于Halo軌道坐標(biāo)系，采用3_2_1的旋轉(zhuǎn)順序得到；從Halo軌道坐標(biāo)系F到日心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系FR的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下式，(x y ζ)τ為探測(cè)器的位置矢量r在Halo軌道坐標(biāo)系F中的坐標(biāo)分量，( yE、)τ為探測(cè)器位置矢量r在FR中的坐標(biāo)分量，且滿(mǎn)足( yE ΖΕ)Τ = (χ+μ y ζ)τ；
權(quán)利要求
1. 一種基于日地系統(tǒng)Halo軌道探測(cè)器構(gòu)型與姿態(tài)指向的姿態(tài)遞推方法，其特征在于 通過(guò)以下步驟來(lái)完成步驟1 定義Halo軌道坐標(biāo)系、日心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系、地心慣性坐標(biāo)系、探測(cè)器軌道坐標(biāo)系及探測(cè)器本體坐標(biāo)系，并得到各個(gè)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣；設(shè)日心、地心、地日質(zhì)心、探測(cè)器分別為S、Ε、Μ、E. S、S/C，且設(shè)Y )為繞k軸轉(zhuǎn)角為 Y的旋轉(zhuǎn)矩陣，k = x,y, z，具體為
2.如權(quán)利要求1所述一種基于日地系統(tǒng)Halo軌道探測(cè)器構(gòu)型與姿態(tài)指向的姿態(tài)遞推方法，其特征在于步驟2中，探測(cè)器的+ 和+yb面為探測(cè)器的散熱面。
3.如權(quán)利要求1所述一種基于日地系統(tǒng)Halo軌道探測(cè)器構(gòu)型與姿態(tài)指向的姿態(tài)遞推方法，其特征在于步驟3中，取η = 20。
4.如權(quán)利要求1所述一種基于日地系統(tǒng)Halo軌道探測(cè)器構(gòu)型與姿態(tài)指向的姿態(tài)遞推方法，其特征在于步驟4中，取m= 10。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于日地系統(tǒng)Halo軌道探測(cè)器構(gòu)型與姿態(tài)指向的姿態(tài)遞推方法，根據(jù)Halo軌道參數(shù)確定探測(cè)器布局及指向方案，由地面站測(cè)得探測(cè)器位置與速度信息，在地面計(jì)算機(jī)進(jìn)行積分，得到n天內(nèi)軌道信息，選取m個(gè)點(diǎn)的軌道信息上傳至探測(cè)器的星載計(jì)算機(jī)；星載計(jì)算機(jī)根據(jù)探測(cè)器軌道信息，通過(guò)三次樣條插值得到當(dāng)前時(shí)刻軌道信息；根據(jù)星載計(jì)算機(jī)獲得的探測(cè)器軌道信息，計(jì)算由慣性參考系到軌道坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，最終結(jié)合姿態(tài)確定系統(tǒng)得到的絕對(duì)姿態(tài)角，得到探測(cè)器的相對(duì)姿態(tài)角；本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為采用批量上傳數(shù)據(jù)結(jié)合插值方法，為自主姿態(tài)確定提供參考基準(zhǔn)，且計(jì)算量小；采用定期上注軌道信息的方式，數(shù)據(jù)傳輸?shù)呢?fù)荷相應(yīng)小，減低數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。
文檔編號(hào)B64G1/24GK102514734SQ20111033257
公開(kāi)日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月27日
發(fā)明者張燕, 徐世杰, 徐 明, 朱佳敏, 楊芳, 譚田 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)