[發明專利]面對地球靜止軌道目標操作的空間多機器人自主導航方法

在審

• 申請號: 201811170977.2
• 申請日: 2018-10-09
• 公開（公告）號: CN109269509A
• 公開（公告）日: 2019-01-25
• 發明（設計）人: 王鵬
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01C21/24
• 分類號: G01C21/24
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 饒欣

本發明公開了一種面對地球靜止軌道目標操作的空間多機器人自主導航方法，能夠為衛星編隊飛行提供高精度位置和速度信息，有效解決衛星編隊飛行觀測信息不足所導致的導航精度較低的問題。星敏感器是觀測恒星的天體敏感器，而利用星敏感器進行星間相對測量需要滿足特定條件，本發明提出了星間觀測需要的光照條件和星敏感器觀測條件，解決了傳統星敏感器只能被動觀測問題，提高了自主選星準確性。在實現星間觀測基礎上，本發明提出了實時計算主星相對子星方位矢量和方位角和俯仰角方法，并且利用萬向軸調整星敏感器光軸指向連續跟蹤子星，解決了傳統觀測無法連續跟蹤問題，提高了星間連續觀測效率。

技術領域

本發明涉及航天器在軌服務空間測量領域，特別是涉及一種面對地球靜止軌道目標操作的空間多機器人自主導航方法。

背景技術

地球靜止軌道(Geostationary orbit，GEO)是人類獨一無二的軌道資源，位于該軌道的衛星(簡稱GEO衛星)，覆蓋面積大，且相對于地面是靜止的，在通信、導航、預警、氣象等民用和軍用領域正日益發揮著越來越重要的作用。對于某些任務，需要將多個衛星組網，形成星座，如美國的DSP(國防支援計劃)導彈預警衛星，在GEO軌道上始終保持有5顆(3顆工作，2顆備用)衛星；其天基紅外系統(SBIRS)的高軌段也包括4顆GEO衛星和2顆大橢圓軌道衛星。正在建設的北斗系統，是我國自主發展、獨立運行的全球衛星導航系統，由5顆靜止軌道衛星和30顆其他類型衛星組成。與發達國家相比，我國衛星的在軌故障率較高，近年來失效的重要GEO衛星包括鑫諾二號衛星(2006年)、北斗一號04星(2007年)、尼日利亞星(2007年發射，2008年失效)、北斗G2星(2009年)等，嚴重影響了我國航天技術的發展。特別是北斗G2星(北斗衛星導航系統中5顆GEO衛星之一)的失效，影響了整個導航系統的組網進程，使我國不得不于2012年又發射了一顆替代星(G2R，又稱G6)定點在與該故障星相距0.2°的位置。

為保障在軌航天器長期穩定運行，并保護GEO軌道資源，必須發展以空間機器人為手段，衛星維修及太空垃圾清除為目的的在軌服務技術。由于軌道高度高、第三體引力不可忽略，用于GEO服務的空間機器人自身的發射、管理及維護成本也很高。因此需要空間多機器人系統對某一弧段內的多顆GEO衛星進行在軌維護，可大大節約衛星維護的成本，提高在軌服務效率。目前的空間機器人系統，包括已經發射并在軌演示的ETS-VII、軌道快車，以及正在開展的FREND、DEOS等系統，均是以單顆衛星作為服務對象，且服務內容較單一，不能滿足在GEO軌道多顆航天器在軌維修的目的，因此研究面向GEO軌道在軌服務的空間多機器人系統勢在必行。

為了在GEO衛星附近空間多機器人進行編隊飛行、定點保持以及共位控制，必須首先能實時獲得衛星的位置和姿態信息，并且不能對臨星產生干擾，由于GEO衛星通常在36000km高度，空間多機器人存在導航觀測信號不足的問題：①常用GNSS導航方式存在導航信號弱、地球遮擋和可見衛星少等嚴重問題；②其它自主導航方式：地磁場無法使用，雷達高度計和天文導航無法提供高精度導航信息，都難以作為觀測信息滿足導航要求，因此這就使得研究空間多機器人新觀測方法顯得迫切重要。

發明內容

發明目的：本發明針對觀測信息不足導致導航精度較低的問題，提出一種面對地球靜止軌道目標操作的空間多機器人自主導航方法，利用星敏感器自主連續觀測相對方向矢量的方法，為在軌服務的空間多機器人提供高精度相對觀測信息。

技術方案：為達到此目的，本發明采用以下技術方案：

本發明所述的面對地球靜止軌道目標操作的空間多機器人自主導航方法，包括以下步驟：

S1：以GEO目標衛星為在軌服務對象，將兩個空間機器人分別設為主星和子星，設計主星和子星編隊飛行構型及軌道參數；軌道參數包括軌道半長軸a、軌道偏心率e、軌道傾角i、升交點赤經Ω、近地點幅角ω、過近地點時刻t_p；

S2：根據地心慣性坐標系下衛星相對軌道動力學模型，建立自主導航系統狀態模型；