本發(fā)明涉及衛(wèi)星運(yùn)行軌跡和姿態(tài)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于激光載荷的同軌面衛(wèi)星自主相對位置保持方法。

背景技術(shù)：

航天技術(shù)是當(dāng)今世界最有發(fā)展?jié)摿Φ母咝录夹g(shù)之一，空間應(yīng)用從傳統(tǒng)以高軌、單星應(yīng)用為主向高、低軌衛(wèi)星搭配，星座組應(yīng)用與單星獨(dú)立應(yīng)用相融合的應(yīng)用模式發(fā)展。同時，隨空間高軌軌位競爭的目益激烈，低軌星座應(yīng)用已經(jīng)成為空間應(yīng)用的重要形式。以銥星系統(tǒng)，軌道通信系統(tǒng)為代表的低軌通信系統(tǒng)，以北斗、gps為代表的復(fù)合星座導(dǎo)航系統(tǒng)，以“鴿群”、“空間盒子”為代表的低軌對地遙感系統(tǒng)均利用多星組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對地應(yīng)用。而微小衛(wèi)星技術(shù)的蓬勃發(fā)展，使低軌星座應(yīng)用成為未來空間應(yīng)用的重要發(fā)展方向之一。

在軌航天器主要受軌道攝動影響。軌道攝動主要有地球非均勻性、非球形攝動、大氣阻力攝動、日月引力攝動等。低軌衛(wèi)星主要受大氣阻力與地球非球形攝動影響，主要表現(xiàn)為對軌道半長軸變化引起的地面軌跡漂移。而同一星座中的在軌衛(wèi)星由于受攝動因素的綜合作用，兩星之間對位置不能滿足星座性能要求，為保證低軌星座運(yùn)行相對穩(wěn)定、空間系統(tǒng)工作性能、覆蓋性、相對連接關(guān)系等應(yīng)用指標(biāo)，需對長期運(yùn)行星座星間相對位置進(jìn)行保持，即確保星座中各星在軌道受攝動影響后可以一相對較好的構(gòu)型運(yùn)行，以減低軌道衰減影響。

如何在衛(wèi)星平臺質(zhì)量、功率、體積等應(yīng)用約束下，降低衛(wèi)星推進(jìn)劑消耗、實(shí)現(xiàn)星座中衛(wèi)星相對位置在軌道衰減后可保持相對較好的構(gòu)型，對提高衛(wèi)星星座應(yīng)用能力具有重要意義。

星座中衛(wèi)星相對位置的保持是實(shí)現(xiàn)其功能的基本保障。星座應(yīng)用中多采用自然衰減模式、基于推進(jìn)器的主動控制模式或基于空間環(huán)境影響的被動控制模式。自然衰減模式下衛(wèi)星星座不進(jìn)行星座維持，星座末期系統(tǒng)性能大幅衰減。基于推進(jìn)器的主動控制模式下衛(wèi)星采用推進(jìn)器進(jìn)行變軌以維持星座相對位置，利用地面測控網(wǎng)絡(luò)、導(dǎo)航星座結(jié)合星間通信實(shí)現(xiàn)位置的確定，由地面進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，由于推進(jìn)劑的不可再生性、系統(tǒng)長期在軌能力較差同時自主運(yùn)行能力較差，系統(tǒng)健壯性不足。被動式星座維持利用衛(wèi)星構(gòu)型的改變實(shí)現(xiàn)變軌，星座中各星相對獨(dú)立，與主動控制模式相同，星座中衛(wèi)星通過地面站點(diǎn)產(chǎn)生聯(lián)系，仍存在對地面依賴較高不足。

綜上，為提高星座獨(dú)立性，實(shí)現(xiàn)星座長期自主相對位置的低消耗保持，優(yōu)化衰減后的星座，本發(fā)明提出一種基于激光載荷的同軌面衛(wèi)星自主相對位置保持方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

一種基于激光載荷的同軌面衛(wèi)星相對位置保持方法通過激光通信測距一體載荷實(shí)現(xiàn)同軌面衛(wèi)星的高精度定位，通過可變太陽翼位置調(diào)整與變形實(shí)現(xiàn)相對位置調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)星座中同軌面衛(wèi)星的相對位置保持。具體見下文。

一種基于激光載荷的同軌面衛(wèi)星自主相對位置保持方法，包含導(dǎo)航星座(或地面站)及若干同軌面衛(wèi)星構(gòu)成的星座，特征在于以導(dǎo)航星座導(dǎo)航信息或地面站定軌與時間信息為初始基準(zhǔn)，當(dāng)導(dǎo)航星座與地面站不可用時定時發(fā)起相對位置保持需求檢測，依靠衛(wèi)星的自主計(jì)算能力，通過星上激光通信測距離一體載荷實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星之間時統(tǒng)、測距、測角、通訊，判斷各星相對位置保持需求，并通過控制衛(wèi)星迎風(fēng)面有效面積完成星座中衛(wèi)星自主相對位置保持。

其方法步驟如下：

a)獲取初始基準(zhǔn)。衛(wèi)星位置、時間初始基準(zhǔn)的獲取有兩種方式：一是由衛(wèi)星自主與導(dǎo)航星座通訊獲取位置實(shí)現(xiàn)星上自主定軌與授時；二是或通過地面站測控定軌，地面授時。兩種方式互為冗余。衛(wèi)星獲得初始基準(zhǔn)后可實(shí)現(xiàn)自主相對相位保持。

b)統(tǒng)一各衛(wèi)星時間，確定衛(wèi)星位置。星座運(yùn)營時以導(dǎo)航信息獲得衛(wèi)星位置與時間基準(zhǔn)或通過地面站獲得衛(wèi)星位置與時間初始基準(zhǔn)。星座有相對位置保持需求時，若導(dǎo)航星座或地面站信息可用，則衛(wèi)星直接采用導(dǎo)航信息或地面上注衛(wèi)星位置并進(jìn)和時間統(tǒng)一；若導(dǎo)航星座與地面站不可用，則以主控星時間作為基準(zhǔn)統(tǒng)一星座內(nèi)衛(wèi)星時間，通過激光通信測距一體載荷確定衛(wèi)星位置，進(jìn)行星座內(nèi)衛(wèi)星星上時間統(tǒng)一；具體操作是：在星座中確定一顆衛(wèi)星為星座主控制星編號為0號星，以主控星為基準(zhǔn)對衛(wèi)星依次編號1、2、3….n，由主控星0號星發(fā)起相位維持判別需求指令，由主控星根據(jù)各衛(wèi)星軌道外推所得位置進(jìn)行衛(wèi)星分組，以相鄰的三顆衛(wèi)星為一組，每組中位于中間的衛(wèi)星作為相對位置測量星，測量同組內(nèi)別兩星相對位置，若多出2星，則自成一組相互測量，當(dāng)多出為單星時與前向一星進(jìn)行相互測量；激光通信與測距定位功能一體集成實(shí)現(xiàn)連續(xù)的跟蹤與測量及各星間信息傳輸。每組衛(wèi)星中的測量星激光通信測距載荷利用星上軌道外推模形進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域的初步確定，通過跟瞄系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的掃描，實(shí)現(xiàn)回波應(yīng)答后建立通信鏈路，同時載荷向所在星平臺傳送載荷發(fā)出光線相對星體的角度信息，通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換得到另一衛(wèi)星相對位置。各星將相對位置測量結(jié)果傳給主控星，由主控星聯(lián)合各星外推結(jié)果進(jìn)行位置復(fù)核，最終解算得到高精度的衛(wèi)星位置信息。

c)相對位置保持判別。由主控星根據(jù)星座內(nèi)衛(wèi)星位置解算相鄰兩星夾角，以星座內(nèi)同軌衛(wèi)星與地心連線之間的夾角為主要判別依據(jù)，當(dāng)夾角大于安全閾值時啟動相對位置保持方案。安全閾值根據(jù)星座對地覆蓋需求與軌道高度解算，以當(dāng)星座內(nèi)多數(shù)衛(wèi)星所在軌道擬合所得軌道高度下理想星座構(gòu)型為基準(zhǔn)。

d)目標(biāo)星座解算。確定需進(jìn)行相對位置保持操作時，則由主控星利用星座各星當(dāng)前位置進(jìn)行目標(biāo)星座的解算，并給出各星目標(biāo)軌道。主控星利用星間激光通信測距一體載荷將各星目標(biāo)軌道與當(dāng)前軌道發(fā)送給星座內(nèi)其它星，各星自主確定相對位置保持操作。目標(biāo)星座解算時主要考慮地球的非均勻性、非球形攝動與大氣阻力。

e)太陽翼面積與位置解算。星座內(nèi)各星接收目標(biāo)星座當(dāng)前衛(wèi)星位置，結(jié)合在軌運(yùn)行姿態(tài)要求解算所需太陽翼相對主體的位置與所需太陽翼面積。

f)調(diào)整太陽翼位置與面積，進(jìn)而調(diào)整衛(wèi)星攝動影響，實(shí)現(xiàn)同軌面多星的相對位置保持。通過調(diào)整太陽翼位置與變形，調(diào)整攝動影響，改變衛(wèi)星軌道變化速率，從而實(shí)現(xiàn)同軌面多星的相對位置保持。

低軌航天器攝動中由于地球非球形攝動為保守力，大氣阻力為耗散力，是造成衛(wèi)星軌道偏移的主要因素。大氣阻力形成的阻力加速度可表示為:

其中v為衛(wèi)星相對大氣的飛行速度，ρ為大氣密度，a/m為衛(wèi)星有效面積與質(zhì)量之比，cd為大氣阻力系數(shù)。對于無推進(jìn)劑消耗衛(wèi)星，衛(wèi)星質(zhì)量基本不變。大氣密度與軌道高度相關(guān)。通過相對位置調(diào)整需求解算兩星所需有效面積，并以一定的周期進(jìn)行星座維持需求調(diào)整，以確保兩星相對位置在充許范圍。

太陽翼采用折疊展開機(jī)構(gòu)，可利用展開機(jī)構(gòu)調(diào)整太陽翼與衛(wèi)星相對大氣飛行速度方向的投影面面積，并利用太陽翼的折疊調(diào)整翼面面積，從而調(diào)整衛(wèi)星有效面積，得到不同的大氣阻力加速度，調(diào)整衛(wèi)星軌道衰減情況。

附圖說明

圖1是本發(fā)明應(yīng)用流程示意圖

圖2是同軌面9星星座應(yīng)用時衛(wèi)星編號示意圖

具體實(shí)施方式

列舉一具體實(shí)施例，星座采用導(dǎo)航星座實(shí)現(xiàn)星上自主定軌，獲取位置初始基準(zhǔn)，之后導(dǎo)航星座失效，星座自主進(jìn)行相對位置保持。利用激光通信測距一體載荷實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星相對位置的確定與星上時間統(tǒng)一。利用星座各星位置確定各星相對位置保持需求算，確定需進(jìn)行相對位置保持操作后進(jìn)行目標(biāo)星座解。通過目標(biāo)星座確定攝動調(diào)整方案，通過太陽翼改變、調(diào)整攝動影響，從而實(shí)現(xiàn)同軌面多星的相對位置保持。

獲得初基準(zhǔn)后方案可分為利用激光通信測距離一體載荷與星歷的各星位置確定，相對位置保持需求解算，目標(biāo)星座解算，太陽翼面積與位置解算，太陽翼機(jī)動實(shí)現(xiàn)五個階段。在星座中選擇一計(jì)算能力較強(qiáng)，可靠性較高衛(wèi)星作為主控衛(wèi)星，由主控星發(fā)起信息互通與星座相對位置保持需求并進(jìn)行星座各星高精度位置解算，目標(biāo)星座解算?？砂慈蝿?wù)需求變換主控星。星座在運(yùn)行時由主控星定時發(fā)起相對位置保持判別，進(jìn)行算星座內(nèi)衛(wèi)星位置確定，并解算安全閾值，當(dāng)相鄰兩星夾角大于安全閾值時進(jìn)行相對位置保持操作。

圖2是同軌9星星星座應(yīng)用時衛(wèi)星編號示意圖。主控星編號為00，其它衛(wèi)星按同一順序順次編號。

以低軌9星衛(wèi)星星座維持為應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行方案應(yīng)用說明。9顆衛(wèi)星初始位于同一軌面采用walker星座部署，軌道維持目標(biāo)為9星較為均勻的分布于同一軌道面。星座中9星配置相同，可隨機(jī)選擇其中任一衛(wèi)星作為主控星。各衛(wèi)星初始軌道與時間初始基準(zhǔn)由導(dǎo)航星座給出，作為星座入軌運(yùn)行初始基準(zhǔn)，后續(xù)星座維持基于星上軌道外推與星間激光通信測距離一體載荷進(jìn)行。該星座自主相對位置保持方案實(shí)施方式如下：

(1)確定9星星座主控制星并編號為00星，以主控星為基準(zhǔn)對衛(wèi)星依次編號01至08，由主控星00星發(fā)起相對位置保持判別需求，具體編號情況如圖2所示。

(2)以00星星上時間作為基準(zhǔn)利用星間激光通信、測距離一體載荷實(shí)現(xiàn)星座內(nèi)九9顆衛(wèi)星時間統(tǒng)一。01至08星將自身軌道外推所得自身位置傳給00星。

(3)00星進(jìn)行相對位置測量分組并確定各組測量星。利用激光通信、測距一體載荷采用測距結(jié)合轉(zhuǎn)臺角度信息，由主控星00開始確定01星與08星對00星的相對位置，由02星確定01星與03星對02星的相對位置，由04星確定03星與05星對04星的相對位置，由06星確定05星與07星對06星的相對位置，由08星確定07星與00星相對08星的相對位置。

(4)通過星間激光通信測距載荷將各相對位置解算結(jié)果傳向主控星00，由00星結(jié)合各星外推結(jié)果解算各星位置，通過激光通信傳給各星。進(jìn)行星座軌道擬合，解算安全閾值。解算相鄰兩星位置與地心間夾角，當(dāng)兩星間有一夾角大于相對位置保持安全閾值時主控星啟動相對位置保持操作，轉(zhuǎn)入下一步。否則等待下一相對位置保持判別需求發(fā)起，重復(fù)進(jìn)行步驟(2)至(4)。

(5)主控星綜合星座內(nèi)各衛(wèi)星位置進(jìn)行目標(biāo)星座解算并分解為各星目標(biāo)軌道，將目標(biāo)軌道數(shù)據(jù)通過激光通信載荷傳往各星。在此應(yīng)用實(shí)例中取九星中最低點(diǎn)作為星座設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，考慮調(diào)整時間，生成新的星座作為目標(biāo)星座。

(6)各星通過由主控制星傳送的自身位置與目標(biāo)軌道解算自身調(diào)整需求，結(jié)合衛(wèi)星在軌運(yùn)行姿態(tài)要求計(jì)算衛(wèi)目標(biāo)太陽翼位置與目標(biāo)面積。

(7)調(diào)整太陽翼位置與面積，進(jìn)而調(diào)整衛(wèi)星攝動影響。

(8)在調(diào)整其間，定時進(jìn)行相對位置保持需求判別，及時調(diào)整方案。