[發明專利]一種基于虛擬分布式與混合動力學的相對軌道確定方法

在審

• 申請號: 201711087002.9
• 申請日: 2017-11-07
• 公開（公告）號: CN107883967A
• 公開（公告）日: 2018-04-06
• 發明（設計）人: 龔柏春;李爽;趙吉松
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01C21/24
• 分類號: G01C21/24;G01S19/48
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司61200
• 代理人: 李宏德

技術領域

本發明屬于空間自主相對導航領域，涉及對空間目標自主交會的相對軌道確定方法，具體為一種基于虛擬分布式與混合動力學的相對軌道確定方法。

背景技術

近二十年來，針對地球軌道資源日趨緊張、故障衛星在軌修復以及軌道碎片清理等問題，各國積極展開了利用空間機器人即利用在軌服務航天器或追蹤星對故障衛星和軌道碎片等空間非合作目標進行監視、接近、捕獲以及離軌等在軌服務技術研究。

相對導航是在軌航天器服務的關鍵技術，CCD相機因其為無源測量，并且具有測量范圍廣精度高，設備體積小、質量輕和功耗低等優點，是未來對空間非合作目標進行在軌服務的理想相對導航敏感器。但是在中遠距離交會時，由于目標非合作，即無通信和無合作標志器等，CCD相機能夠獲得的測量信息不完備，只有相對視線角信息，沒有直接的相對距離信息，這就導致僅用CCD相機進行相對測量的相對定軌系統可觀測性差，相對導航實現難度大。目前國內外解決該問題實現僅測角相對定軌的途徑都是通過間接地估計出相對距離信息輔助定軌，具體主要有兩大類方案：1、軌道機動方案；2、雙星編隊方案。對于軌道機動方案，其實質是通過追蹤星進行特殊軌道機動來構造相對距離信息，該方案在實際中可能會對追蹤星的安全性和燃料消耗產生重要影響。對于雙星編隊方案，其實質是通過雙星的測量基線來構造相對距離信息，該方案需要兩顆衛星或者需要追蹤星需要具備釋放伴飛小衛星并且協同測量的能力，這在實際中不易實現且代價較大，而雙星觀測矢量夾角越小估計精度越低，且兩觀測矢量平行時相對距離估計失效。總的來說，現有技術中，對空間非合作目標僅測角相對定軌方法，均需要通過多個衛星平臺協同測量或者單個衛星平臺通過特殊軌道機動完成相對導航定軌，安全性低，操作復雜，成本高，代價大。

發明內容

針對現有技術中存在的問題，本發明提供一種基于虛擬分布式與混合動力學的相對軌道確定方法，設計合理，操作簡單，軌道確定方便快捷。

本發明是通過以下技術方案來實現：

一種基于虛擬分布式與混合動力學的相對軌道確定方法，以Clohessy-Wiltshire動力學方程對追蹤星與空間非合作目標的相對軌道進行演化，以追蹤星星載CCD相機測量的單位視線矢量信息和通過追蹤星星載GNSS接收機絕對定位信息作為量測量，通過最小二乘法解析計算出追蹤星與空間非合作目標之間的確定相對軌道，即相對位置和相對速度。

優選的，具體包括如下步驟，

步驟1，由追蹤星星載CCD相機跟蹤觀測空間非合作目標，獲得單位視線矢量；

步驟2，引入一顆虛擬觀測衛星，與追蹤星構成虛擬分布式測量系統，與空間非合作目標共同建立三角測量幾何關系的向量求解模型；由追蹤星星載GNSS接收機的絕對定位與虛擬星經非線性動力學演化的絕對軌道構造虛擬測量基線；

步驟3，采用線性化的相對運動動力學對追蹤星與空間非合作目標的相對軌道，以及虛擬觀測衛星與空間非合作目標的相對軌道分別進行演化，構建解析的數學模型；采用非線性軌道動力學進行虛擬星的絕對軌道演化，獲得空間非合作目標相對軌道的可觀測性，并以最小二乘法進行求解提取出追蹤星與空間非合作目標的相對軌道。

進一步的，步驟2中，追蹤星的軌道位置R_v由GNSS接收機測量得到，虛擬星的絕對軌道經非線性動力學演化的軌道的動力學公式為，

其中，R_v和V_v分別為慣性系下虛擬星的軌道位置和軌道速度，g是建模成點-質量引力模型的引力加速度；

從而構造得到的虛擬測量基線在軌道坐標系下的投影建模如下：

r_rv＝T_i^l(R_r-R_v)(2)

其中，T_i^l為慣性系到軌道系的坐標變換矩陣。

再進一步的，步驟3中，具體的，采用線性化的Clohessy-Wiltshire動力學對追蹤星與空間非合作目標的相對軌道，以及虛擬觀測衛星與空間非合作目標的相對軌道分別進行演化。

再進一步的，進行演化時包括如下步驟，

步驟3.1，以步驟2中建立的三角測量幾何關系的向量求解模型為基礎，建立如下的向量幾何模型，