一種衛(wèi)星自主編隊(duì)飛行控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種衛(wèi)星自主編隊(duì)飛行控制方法，通過(guò)軌道平根數(shù)差進(jìn)行編隊(duì)飛行控制，由于軌道平根數(shù)差較準(zhǔn)確的反映了衛(wèi)星之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)期趨勢(shì)，這種方法可以較好的控制相對(duì)運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)期變化。本發(fā)明通過(guò)設(shè)計(jì)軌道平面內(nèi)的平半長(zhǎng)軸差控制策略，采用分區(qū)間設(shè)置控制目標(biāo)的方式，保證在控制區(qū)間內(nèi)的漂移速度較小；在控制區(qū)間外時(shí)，能以較快的速度回到控制區(qū)間內(nèi)。本發(fā)明通過(guò)軌控使用多次小脈沖噴氣、姿控使用動(dòng)量輪的方式，減少姿態(tài)噴氣控制對(duì)軌道的影響，提高軌道控制執(zhí)行精度。
【專利說(shuō)明】一種衛(wèi)星自主編隊(duì)飛行控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星自主編隊(duì)飛行控制方法，適用于衛(wèi)星長(zhǎng)期編隊(duì)飛行的控制。

【背景技術(shù)】
[0002] 描述編隊(duì)飛行的兩顆衛(wèi)星之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，一般使用線性化之后的C-W方程來(lái) 描述。對(duì)編隊(duì)進(jìn)行控制時(shí)，也采用C-W方程來(lái)計(jì)算控制量。但近期的一些研究成果表明， C-W方程在描述相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)于編隊(duì)的長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的描述并不準(zhǔn)確。近10年來(lái)發(fā)展起 來(lái)的軌道根數(shù)差（又成為相對(duì)軌道根數(shù)）描述方式能更加好的描述長(zhǎng)期相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，可 用于編隊(duì)飛行的軌道控制。但現(xiàn)有文獻(xiàn)中對(duì)于如何從測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算軌道根數(shù)差的研究較 少。若用兩顆衛(wèi)星的絕對(duì)軌道參數(shù)直接相減獲得軌道根數(shù)差，由于絕對(duì)軌道參數(shù)的誤差較 大，兩星的參數(shù)相減后的誤差會(huì)更大，難以用于精確的編隊(duì)飛行控制。
[0003] -般來(lái)說(shuō)，在進(jìn)行軌道控制時(shí)，軌控推力器會(huì)產(chǎn)生的干擾力矩影響衛(wèi)星的姿態(tài)控 制。衛(wèi)星的姿態(tài)控制可以使用動(dòng)量輪或姿控推力器兩種方式。若軌控干擾力矩的持續(xù)時(shí)間 較長(zhǎng)，動(dòng)量輪無(wú)法吸收軌控干擾力矩累積形成的角動(dòng)量。因此，一般軌控時(shí)使用姿控推力器 進(jìn)行姿態(tài)控制。但姿控推力器同時(shí)也產(chǎn)生一定的速度增量，從而影響軌控執(zhí)行的精度。
[0004] 傳統(tǒng)的軌道控制中，每次軌控的時(shí)間較長(zhǎng)，軌控推力器產(chǎn)生干擾較大，軌控時(shí)的姿 態(tài)控制一般使用推力器進(jìn)行，而姿控推力器產(chǎn)生的速度增量對(duì)軌控的影響較小，可以作為 誤差考慮。但是在編隊(duì)飛行中，兩顆星處于穩(wěn)定編隊(duì)飛行狀態(tài)下時(shí)，兩星的軌道非常接近， 軌道控制的速度增量非常小。若使用推力器進(jìn)行姿控，姿控產(chǎn)生的速度增量會(huì)對(duì)嚴(yán)重影響 軌控速度增量的執(zhí)行精度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種衛(wèi)星自主編隊(duì) 飛行控制方法，可以在燃料消耗非常少的情況下實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星編隊(duì)飛行的自主控制。
[0006] 本發(fā)明包括如下技術(shù)方案：
[0007] -種衛(wèi)星自主編隊(duì)飛行控制方法，包括如下步驟：
[0008] (1)根據(jù)A星絕對(duì)軌道GPS數(shù)據(jù)獲得A星絕對(duì)位置、速度；根據(jù)差分GPS數(shù)據(jù)獲得 A星和B星的相對(duì)位置、速度；根據(jù)A星絕對(duì)位置、速度與所述相對(duì)位置、速度得到B星的絕 對(duì)位置、速度；
[0009] (2)根據(jù)A星絕對(duì)位置、速度計(jì)算A星瞬時(shí)軌道根數(shù)，根據(jù)B星絕對(duì)位置、速度計(jì)算 B星瞬時(shí)軌道根數(shù)；A星瞬時(shí)軌道根數(shù)包括半長(zhǎng)軸aA，偏心率％，傾角iA，升交點(diǎn)赤經(jīng)Ω Α，近 地點(diǎn)幅角ωΑ，平近點(diǎn)角ΜΑ，緯度幅角uA以及幅角和λ Α，λΑ= ωΑ+ΜΑ;
[0010] (3)根據(jù)Α星瞬時(shí)軌道根數(shù)計(jì)算Α星平根數(shù)，根據(jù)Β星瞬時(shí)軌道根數(shù)計(jì)算Β星平根 數(shù)；Α星平根數(shù)與Β星平根數(shù)的計(jì)算方法相同；Α星平根數(shù)包括平半長(zhǎng)軸\，平偏心率矢量 乙和t ,平傾角ζ和平升交點(diǎn)赤經(jīng)，B星平根數(shù)包括平半長(zhǎng)軸％，平偏心率矢量基和 ^，干傾角ζ和平升交點(diǎn)赤經(jīng),
[0011] ⑷將A星平根數(shù)和B星平根數(shù)進(jìn)行處理得到兩星的平根數(shù)差，兩星的平 根數(shù)差包括平半長(zhǎng)軸差Δ5、平偏心率矢量差和、平傾角矢量差和Δ/ν; Αα^?,---Η ? Α§χ=?,-?η ? ^ν=η,-η, ^ Δ/ν -sin(7,)sin(n , -Ω,ν) ^ Δ/；. - - sin (7,) cos (I) cos (Γ>, - Ω；?) + sin (7；) cos (T.). 5
[0012] (5)對(duì)平根數(shù)差進(jìn)行一階濾波獲得濾波后的平根數(shù)差，所述濾波后的平根數(shù)差包 括平半長(zhǎng)軸差A(yù)a、偏心率矢量差A(yù)e x和Aey、傾角矢量差A(yù)ix和Aiy;
[0013] (6)判斷是否需要進(jìn)行軌道平面外控制，當(dāng)

【權(quán)利要求】
1. 一種衛(wèi)星自主編隊(duì)飛行控制方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 根據(jù)A星絕對(duì)軌道GPS數(shù)據(jù)獲得A星絕對(duì)位置、速度；根據(jù)差分GPS數(shù)據(jù)獲得A星 和B星的相對(duì)位置、速度；根據(jù)A星絕對(duì)位置、速度與所述相對(duì)位置、速度得到B星的絕對(duì)位 置、速度； (2) 根據(jù)A星絕對(duì)位置、速度計(jì)算A星瞬時(shí)軌道根數(shù)，根據(jù)B星絕對(duì)位置、速度計(jì)算B星 瞬時(shí)軌道根數(shù)；A星瞬時(shí)軌道根數(shù)包括半長(zhǎng)軸a A，偏心率％，傾角iA，升交點(diǎn)赤經(jīng)ΩΑ，近地 點(diǎn)幅角ωΑ，平近點(diǎn)角Μ Α，緯度幅角uA以及幅角和λΑ，λΑ= ωΑ+ΜΑ; (3) 根據(jù)Α星瞬時(shí)軌道根數(shù)計(jì)算Α星平根數(shù)，根據(jù)Β星瞬時(shí)軌道根數(shù)計(jì)算Β星平根數(shù)； Α星平根數(shù)與Β星平根數(shù)的計(jì)算方法相同；Α星平根數(shù)包括平半長(zhǎng)軸&，平偏心率矢量 和心，平傾角ζ和平升交點(diǎn)赤經(jīng)Ο,，B星平根數(shù)包括平半長(zhǎng)軸士，平偏心率矢量&和％， 平傾角?和平升交點(diǎn)赤經(jīng); (4) 將A星平根數(shù)和B星平根數(shù)進(jìn)行處理得到兩星的平根數(shù)差，兩星的平根 數(shù)差包括平半長(zhǎng)軸差M、平偏心率矢量差Δ?Λι和Δ&、平傾角矢量差 Δξ和八?；.； Α? = αΑ_αΒ 1 Κβχ=ξΑ-ξΒ ? Aey =ηΒ-ηΑ ^ Δζ ^sinf^JsinfQ ,-?) ^ Δ/；. -- si η ( 7.) cos ( ζ) cos (Ω , - Ω ；?) + si η (7；,) cos (7.). ? (5) 對(duì)平根數(shù)差進(jìn)行一階濾波獲得濾波后的平根數(shù)差，所述濾波后的平根數(shù)差包括平 半長(zhǎng)軸差八&、偏心率矢量差八 6!￡和八\、傾角矢量差八匕和八仁； (6) 判斷是否需要進(jìn)行軌道平面外控制，當(dāng)
大于閾值時(shí)，轉(zhuǎn)入步驟（7) 進(jìn)行軌道平面外控制計(jì)算；當(dāng)
不大于閾值Λ imax時(shí)，不進(jìn)行軌道平面外控制，轉(zhuǎn) 入步驟（10); 同時(shí)判斷是否需要進(jìn)行軌道平面內(nèi)控制，當(dāng)x/X2或x，X3時(shí)，轉(zhuǎn)入步驟（8)進(jìn)行軌道 平面內(nèi)控制計(jì)算；當(dāng)X2 < \ < X3時(shí)，不進(jìn)行軌道平面內(nèi)控制，轉(zhuǎn)入步驟（10) ;&為A星和 B星在飛行方向上的相對(duì)位置，X2, X3為位置閾值； (7) 軌道平面外控制計(jì)算的步驟如下： (7. 1)根據(jù)公式
計(jì)算平面外控制所需要的速度增量△ vy ; %為平 均軌道角速度，
μ為地球引力常數(shù)； (7. 2)根據(jù)公式uy = arctan2 ( Δ ix, - Δ iy)計(jì)算平面外控制所需要的緯度幅角Uy ; (7. 3)計(jì)算開機(jī)時(shí)間ty和最終的軌道平面外控制所需要的速度增量; 令 Δ 屮=uy_uA, Δ?廣m()d-2PT (Δ"丨，2 π ), AU2 = Α?χ + π 5 Ail, =mod - 2 PI (Au2, 2 π ) 如果，則令二^ t為當(dāng)前時(shí)間，令A(yù)vy=A&;否貝ij，令 nB Α-- Α Λ Α Κ，=? + ^ Δνν = -Δνν · - ηΒ ' (7. 4)轉(zhuǎn)入步驟（9); (8) 軌道平面內(nèi)控制計(jì)算的步驟如下： (8. 1)根據(jù)如下公式計(jì)算兩個(gè)脈沖速度增量^&和Λ Vx2，以及兩個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的軌道緯 度幅角圮1和圮2， Δν, =(1/4)? (Δα,,,, -Δα) ,
Λ 為第一半長(zhǎng)軸 差控制目標(biāo)、Aa2為第二半長(zhǎng)軸差控制目標(biāo)，八&1>八32，乂1、乂4為位置閾值，乂10(20(30(4,
，Ava、Λνε為中間變量； Δνχι = Δν3+Δνε? Δνχ2 = Δν3-Δνε? uxl = arctan2 (- Δ ey，- Δ ex), Mxl=mod-2PT (?/ν|, 2 π ), Uxl、ux2 為中間變量， i?i：=niod-2PT (ux2, 2 π ); (8. 2)確定最終的第一脈沖的速度增量At和第二脈沖的速度增量Δτ)?2;計(jì)算先執(zhí)行 的速度增量對(duì)應(yīng)的軌道緯度幅角與當(dāng)前軌道緯度幅角的差A(yù)u ; 如果（L ^且（?> L或?))或（t z且》4 >義2且?)，則令 ^,1=^,1? Δ^ν2=Δνχ2，Au=Ux1-Ua. 9 否則，令Δ、= Δν?2，Δ--2 = Δνχ1，Δπ =心2 - ·， (8. 3)令Δ6 =mod_2PT (Δ"，2 ττ )獲得最終的緯度幅角的差Μ ,根據(jù)公式
計(jì)算第一脈沖的開機(jī)時(shí)間txl，根據(jù)公式計(jì)算第二脈沖的開機(jī)時(shí)間 tx2 ;
(8. 4)轉(zhuǎn)入步驟（9); (9) 速度增量脈沖執(zhí)行， 根據(jù)每個(gè)方向計(jì)算的速度增量、軌控推力器的推力大小以及衛(wèi)星質(zhì)量確定相應(yīng)方向的 軌控推力器的開機(jī)時(shí)長(zhǎng)； 根據(jù)開機(jī)時(shí)長(zhǎng)確定軌道控制和姿態(tài)控制方式，當(dāng)開機(jī)時(shí)長(zhǎng)大于設(shè)定值時(shí)，姿態(tài)控制使 用姿控推力器；在計(jì)算的開機(jī)時(shí)間，打開軌控推力器，軌控推力器連續(xù)噴氣，使用加速度計(jì) 測(cè)量速度增量，進(jìn)行速度增量的累積，當(dāng)速度增量累積到大于計(jì)算的速度增量時(shí)關(guān)閉軌控 推力器；當(dāng)開機(jī)時(shí)長(zhǎng)小于等于設(shè)定值時(shí)，姿態(tài)控制使用動(dòng)量輪，在計(jì)算的開機(jī)時(shí)間，打開軌 控推力器，軌控推力器在開機(jī)后的每個(gè)控制周期內(nèi)執(zhí)行一個(gè)短時(shí)間的噴氣，一直到噴氣時(shí) 間累積到大于開機(jī)時(shí)長(zhǎng)時(shí)關(guān)閉軌控推力器； (10)結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星自主編隊(duì)飛行控制方法，其特征在于，根據(jù)A星瞬時(shí)軌道 根數(shù)計(jì)算A星平根數(shù)方法包括如下步驟： a. 平根數(shù)賦初值 令= "丨 ξ = f, cos ω, η = -e ( sin ζ = h Ω = 1 = 4， 其中i為平半長(zhǎng)軸中間量，€和歹為平偏心率矢量中間量，Τ為平傾角中間量，D為平 升交點(diǎn)赤經(jīng)中間量，I為λ Α的平根數(shù)中間量； b. 短周期項(xiàng)計(jì)算，短周期項(xiàng)包括半長(zhǎng)軸短周期項(xiàng)as，傾角短周期項(xiàng)is，升交點(diǎn)赤經(jīng)短周 期項(xiàng)Ω 3，偏心率矢量的短周期項(xiàng)〖3和ηs，幅角和的短周期項(xiàng)λ s， 戶= 5(1-礦；)，$是軌道半通徑 Λ =|*72尺2，其中Re = 6378. 137km為地球赤道半徑，J2 = 0. 001623945為地球非球形 J2項(xiàng)引力系數(shù)，4是中間變量，

C.平根數(shù)計(jì)算，得到一步迭代更新后的平半長(zhǎng)軸 <，偏心率矢量I：和％，平傾角I， 平升交點(diǎn)赤經(jīng)以及變量毛； <=aA-as ?:ι =etcos co,-is m d. 迭代收斂判斷 如果（b-司<?且，|<?且柘-剜且『|<4且p"-列<?且 忑-1|<心），ε a、ε ξ、ε η、ε ρ ε Ω、ε λ 為閾值；轉(zhuǎn)步驟 e ; 否貝1J，令7?7"，| =乙，7f = %, 『 =『"，? = Π"，Χ = ：?,轉(zhuǎn)步驟b; e. 輸出平根數(shù)， 一 SA - Sn n, = n" L =1 K。
【文檔編號(hào)】G05D1/08GK104142686SQ201410339135
【公開日】2014年11月12日 申請(qǐng)日期:2014年7月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月16日
【發(fā)明者】韓冬, 王穎, 諶穎, 郭明姝, 楊彬, 劉潔, 劉濤, 車汝才, 湯文瀾, 張怡, 畢鵬波, 褚楠, 董筠 申請(qǐng)人:北京控制工程研究所