[發(fā)明專利]一種大橢圓軌道火星探測器自主對火定向方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110289864.6
• 申請日: 2011-09-27
• 公開（公告）號: CN103017760A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 尹海寧;杜寧;蔡陳生;周連文;李芳華;熊厚玲;范蕾懿
• 申請（專利權(quán)）人: 上海航天控制工程研究所
• 主分類號: G01C21/02
• 分類號: G01C21/02;G05D1/08
• 代理公司: 上海航天局專利中心 31107
• 代理人: 馮和純

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種火星探測器自主對火定向技術(shù)，在深空探測通訊存在延時，自主導(dǎo)航敏感器又未能工程應(yīng)用的情況下，通過軌道遞推和定向基準坐標系的建立，可靠的實現(xiàn)火星探測器自主對火定向控制。

背景技術(shù)

火星探測器在環(huán)繞火星飛行階段，除對日定向保證能源、對地定向保證通訊等對姿控平臺的要求外，為實現(xiàn)對火星拍照等科學(xué)探測，姿控平臺必須具備對火星定向控制功能。

國內(nèi)現(xiàn)有的火星探測器姿控平臺缺少相關(guān)技術(shù)作為借鑒。近地衛(wèi)星為實現(xiàn)對地定向功能，通常采用地平儀或星敏感器結(jié)合軌道信息的方式得到姿態(tài)控制基準。由于深空探測距離遙遠存在較大的通訊延時，且GPS不適用于深空探測任務(wù)，國際上通常采用地面測定軌結(jié)合自主導(dǎo)航敏感器的方式完成導(dǎo)航任務(wù)。而國內(nèi)在現(xiàn)階段，地面測定軌難以保證實時性，導(dǎo)航相機或紫外敏感器等自主導(dǎo)航敏感器還處在預(yù)研階段。因此，針對國內(nèi)火星探測任務(wù)，必須開發(fā)一種新的可靠的探測器對火定向方法。

發(fā)明內(nèi)容

對于大偏心率軌道(e≥0.6627)，以往近地衛(wèi)星常用的處理小偏心率軌道遞推方法將不再適用。本發(fā)明將針對火星探測器大橢圓軌道特點建立適用的星載軌道遞推方法，并以此建立對火定向基準，形成一種大橢圓軌道火星探測器自主對火定向方法。使火星探測器在無完全依賴地面測控和無自主導(dǎo)航敏感器的情況下，實現(xiàn)對火星定向的三軸穩(wěn)定控制。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)，一種大橢圓軌道火星探測器自主對火定向方法，其具體包括如下步驟：

1.獲取地面測控給出的軌道根數(shù)初值；

若描述軌道根數(shù)的參考坐標系為火星中心地球赤道慣性坐標系，則將軌道參數(shù)轉(zhuǎn)化到火星平赤道慣性坐標系；

若地面測控給出的軌道根數(shù)初值采用瞬時軌道根數(shù)描述，則將軌道根數(shù)轉(zhuǎn)化為平軌道根數(shù)描述；

2.采用簡化的解析方法進行軌道遞推

解析方法的長期項系數(shù)(平均變化的變率)，包括火星非球形動力學(xué)扁率項和太陽引力項；

短周期項包括火星非球形動力學(xué)星扁率項、田諧項和太陽引力項三部分，并考慮軌道半長徑的二階短周期項；

考慮到星上計算資源有限，采用星上軟件自主進行環(huán)火軌道遞推，以提高對火定向控制的自主性；

3.建立對火定向基準坐標系

通過軌道遞推獲得預(yù)定時刻探測器在火星平赤道坐標系中的位置后，以火星中心-探測器位置矢量為Z軸方向，以Z方向矢量與火星北極矢量的叉乘結(jié)果作為X軸方向，進而根據(jù)右手定則可確定Y軸方向；

4.對火姿態(tài)機動及返回

星上根據(jù)地面上注的對火絕對時刻，進行機動時間預(yù)估后，開始由精對日狀態(tài)轉(zhuǎn)入對火定向姿態(tài)機動，對火機動到位后保持30分鐘，自主返回對日姿態(tài)工作模式。

本發(fā)明采用的方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點和有益效果是：

在地面通訊存在延時，自主導(dǎo)航敏感器又做不到工程應(yīng)用的情況下，通過軌道遞推和定向基準坐標系的建立，可靠的實現(xiàn)火星探測器自主對火定向控制。

附圖說明

以下將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。

圖1為本發(fā)明的軌道遞推相關(guān)參考坐標系示意圖；

圖2對火定向基準坐標系示意圖。

具體實施方式

實施本發(fā)明的具體步驟為：首先根據(jù)初始軌道參數(shù)，進行相應(yīng)轉(zhuǎn)換，以火星平赤道坐標系(MMEQ)為參考坐標系，采用分析方法進行自主軌道遞推；其次根據(jù)遞推得到的特定時刻探測器在火星平赤道坐標系內(nèi)位置，進行對火姿態(tài)基準計算；最后，根據(jù)遙控指令給定的時刻，探測器利用星敏感器+飛輪組合方式進行對日定向到對火定向的姿態(tài)機動，并在機動到位后進行短期姿態(tài)保持。

如圖1所示，描述了火星中心地球赤道慣性坐標系(MINS)與火星平赤道坐標系(MMEQ)之間的相互關(guān)系，IAU矢量為火星平赤道與地球平赤道相交節(jié)線。需明確描述軌道根數(shù)的參考坐標系，決定是否需要將軌道參數(shù)轉(zhuǎn)化到火星平赤道坐標系中描述；根據(jù)軌道根數(shù)類型決定是否進行平根數(shù)、瞬時根數(shù)的轉(zhuǎn)換。若采用星上自主遞推，可采用簡化的解析方法。具體為：

(1)火星中心地球平赤道慣性坐標系與火星平赤道坐標系的轉(zhuǎn)換

由于俄方FGSC探測器位置及為YH-1提供的初始軌道根數(shù)均在火星平赤道坐標系(MMEQ)內(nèi)描述，而國內(nèi)測定軌結(jié)果習(xí)慣在火星中心地球平赤道慣性坐標系(MINS)內(nèi)描述，因此有必要給出兩者的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

火星中心地球平赤道慣性坐標系到日心黃道系轉(zhuǎn)換矩陣