[發明專利]減小姿控噴氣對軌道影響的估計與補償方法

有效

• 申請號: 200710122905.6
• 申請日: 2007-07-03
• 公開（公告）號: CN101066706A
• 公開（公告）日: 2007-11-07
• 發明（設計）人: 宗紅;李鐵壽;王大軼;王淑一;陳義慶;韓冬;王寨
• 申請（專利權）人: 北京控制工程研究所
• 主分類號: B64G1/26
• 分類號: B64G1/26
• 代理公司: 中國航天科技專利中心
• 代理人: 安麗

技術領域

本發明涉及一種航天器估計與補償姿態控制噴氣對軌道影響的方法。

背景技術

月球探測衛星不同于在地球附近飛行的航天器。要使航天器從環繞地球的飛行軌道轉移到環繞月球的軌道，GNC(制導、導航與控制)系統除了必須高度可靠、能夠不失時機地完成各項姿態和軌道控制任務之外，還必須千方百計保證軌道確定和整個飛行軌道的精度。

月球探測衛星在調相軌道、轉移軌道和近月制動軌道段飛行時大部分時間處于巡航姿態。在環月軌道上長期處于對月定向姿態。軌道測量正是在以上兩種狀態進行。此時衛星姿態控制用動量輪實現，基本避免了噴氣對軌道的擾動。但是，由于受到環境干擾力矩的作用，產生角動量積累，造成動量輪飽和。在地球軌道運行的航天器(目前在軌運行以及在研的低軌航天器)通常利用地磁場，采用磁力矩器進行動量輪卸載。而對于環月軌道運行的航天器只能利用噴氣控制進行卸載。月球探測衛星的姿控推力器大都安裝在星體-X面，姿控噴氣時產生速度增量，影響航天器軌道。

由于變軌前的測定軌在巡航姿態下進行，計算出軌控參數(開機時刻、點火時長、點火目標姿態、目標角速度等)后才進行姿態機動建立點火姿態，而姿態機動采用噴氣控制完成，軌控過程中姿態控制和軌控后恢復巡航姿態的姿態機動也會噴氣。如果在變軌參數計算時不加以考慮，這些噴氣對變軌精度都會產生影響。

上述這些問題在近地軌道以及地球靜止軌道航天器中均不十分突出，一般在軌道模型中不考慮姿控噴氣對軌道的影響。但對于深空探測的航天器影響比較大。如美國的火星氣象航天器(MCO)于1999年9月23日在近拱點制動時墜入火星大氣層燒毀。其主要原因是由于定軌過程中低估了噴氣影響而導致定軌誤差過大(定軌結果150km，實際為50km，已深入火星大氣層)造成的。

針對上述問題，國內外學者進行了相關的研究，但未見此方面的相關報道。在MCO航天器中星上軟件首先格根據每一個推力器的噴氣時間，計算推力器產生的小推力，同噴氣時間一同下傳至地面。地面系統接收到數據后，預估航天器卸載時可能產生的速度增量。地面不控制動量輪卸載發生的時刻，在不可見弧段內的動量輪卸載無法得到準確的數據，只能依靠估計的結果在軌道模型中進行補償。此種估計方法的估計精度依賴于模型精度，估計誤差較大。

針對我國第一顆月球探測衛星或其他對軌道要求嚴格的航天器，其精確的軌道控制是任務成功的關鍵，噴氣對軌道的影響問題尤為突出。除了在控制系統設計中考慮采用動量輪控制航天器對日定向等減少噴氣的措施，還研究了多種工作模式下的噴氣影響分析和補償方法。

發明內容

本發明的技術解決問題：克服現有技術的不足，針對姿控噴氣對測定軌以及軌控精度的影響，提出一種減小姿控噴氣對軌道影響的估計與補償方法，補償了噴氣對軌道的影響，實現了對軌道的精確控制。

本發明的技術解決方案：本發明針對環境干擾力矩等作用引起的角動量飽和，設計了強制卸載手段，安排在地面可見的弧段(在出測控區之前的一段時間)進行，通過地面注入卸載指令，強制動量輪卸載。根據遙測數據首先獲得噴氣加速度在航天器本體坐標系中的分量，再結合航天器姿態與軌道，計算噴氣加速度在航天器慣性坐標系中的分量，在定軌時計算并計入了噴氣攝動，以補償姿控噴氣對軌道確定精度的影響。在軌控參數計算過程中，增加建立點火姿態和恢復巡航姿態兩次大角度調姿過程中噴氣攝動的模型，將姿控噴氣引入軌控計算中去，補償噴氣攝動對變軌精度的影響。本發明的詳細技術解決方案如下：

減小姿控噴氣對軌道影響的估計與補償方法，其特征在于包括：

(1)強制卸載：

a1、根據航天器在軌飛行的時間，估算環境力矩引起的動量積累大小，確定航天器出現角動量卸載的時刻，當航天器在軌飛行的時間會出現卸載時，進入步驟b1，當航天器在軌飛行的時間不會出現卸載時，進入步驟(2)；

b1、在地面可見弧段，由地面向航天器注入卸載指令，注入卸載指令的時間要保證在地面可見弧段卸載完成；

c1、航天器上控制軟件響應地面指令，利用噴氣控制進行動量輪卸載；

d1、卸載期間，航天器上自動累計噴氣時間，并將此時間作為遙測數據，傳回地面，供地面進行噴氣補償計算時使用；

e1、地面注入卸載完成指令，清除強制卸載狀態字；

(2)姿控噴氣攝動對定軌進行補償：

a2、根據遙測數據計算噴氣總攝動加速度在航天器本體坐標系中的分量；

b2、結合航天器姿態與軌道，計算噴氣總攝動加速度在航天器慣性坐標系中的分量；