[發(fā)明專利]一種超低軌衛(wèi)星軌道自主精確維持方法

在審

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• 申請日: 2022-03-24
• 公開（公告）號: CN114771873A
• 公開（公告）日: 2022-07-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李克行;羅通;劉潔;龔立綱;王淑一;姚寧;魏春嶺;何英姿;丁建釗;楊鳴;黃盤興;嚴晗;龔宇蓮
• 申請（專利權(quán)）人: 北京控制工程研究所
• 主分類號: B64G1/10
• 分類號: B64G1/10;B64G1/24;G01S19/42;G01S19/52
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 茹阿昌

本發(fā)明提出了一種超低軌衛(wèi)星軌道自主精確維持方法，采用卡爾曼濾波算法實現(xiàn)軌道平半長軸的精確獲取，并針對地球高階攝動引起的平半長軸波動項采用平均方法進行消除，獲取米級精度平半長軸；在無加速度計進行大氣阻力加速度測量情況下，通過平半長軸的變化確定大氣阻力大小，同時根據(jù)確定的大氣阻力實時修正補償軌控推力，解決了超低軌衛(wèi)星米級精度平半長軸精確獲取、軌控推力實時修正的軌道自主精確維持控制問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于航天器軌道控制領(lǐng)域，涉及一種超低軌衛(wèi)星軌道自主精確維持方法。

背景技術(shù)

超低軌衛(wèi)星軌道衰減影響主要來源于大氣阻力，當(dāng)前，低軌道以及超低軌道保持的控制方法主要有兩種途徑：一是假設(shè)參考衛(wèi)星僅受到地球引力的作用，將超低軌道保持的控制問題轉(zhuǎn)化為衛(wèi)星編隊飛行的隊形保持問題進行優(yōu)化；另一種無阻力軌道控制技術(shù)，也就是利用加速度計、大氣成分探測器等星載儀器測量大氣阻力加速度，通過施加控制力補償大氣阻力的軌道保持方法。

超低軌軌道維持的第一種方法將超低軌道保持的控制問題轉(zhuǎn)化為衛(wèi)星編隊飛行的隊形保持問題，引入一顆虛擬衛(wèi)星作為參考衛(wèi)星，其中虛擬衛(wèi)星僅受到地球引力的作用，基于平均軌道根數(shù)建立真實衛(wèi)星相對于參考衛(wèi)星的相對運動模型，利用線性二次調(diào)節(jié)器(LQR)可求得編隊飛行隊形保持的控制律。此方法虛擬參考衛(wèi)星選擇尤為重要，由于超低軌任務(wù)只對軌道半長軸控制精度提出較高要求，未對其前后關(guān)系和沿飛行方向距離進行約束，在編隊控制時由于相對運動方程約束需要對沿飛行方向距離進行約束，將帶來額外燃料消耗；此外由于沒有相對測量敏感器，平半長軸高階攝動波動難以精確消除，難以實現(xiàn)幾十米級控制精度。超低軌軌道維持的第二種方法利用加速度計、大氣成分探測器等星載儀器測量大氣阻力加速度，通過施加控制力補償大氣阻力，此種方法額外增加了載荷。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：基于GPS通道板數(shù)據(jù)確定的衛(wèi)星平半長軸在測量噪聲的影響下存在千米級誤差，無法直接用于衛(wèi)星軌道維持。采用卡爾曼濾波算法實現(xiàn)軌道平半長軸的精確獲取，并針對地球高階攝動引起的平半長軸波動項采用平均方法進行消除，獲取米級精度平半長軸；在無加速度計進行大氣阻力加速度測量情況下，通過平半長軸的變化確定大氣阻力大小，同時根據(jù)確定的大氣阻力實時修正補償軌控推力，解決了超低軌衛(wèi)星米級精度平半長軸精確獲取、軌控推力實時修正的軌道自主精確維持控制問題。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

一種超低軌衛(wèi)星軌道自主精確維持方法，包括如下步驟：

(1)將當(dāng)前第i個采樣的GPS數(shù)據(jù)由地固坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到瞬時真赤道坐標(biāo)系下，獲得在瞬時真赤道坐標(biāo)系下GPS測量的衛(wèi)星位置和速度

獲得在瞬時真赤道坐標(biāo)系下GPS測量的衛(wèi)星位置和速度的方法，具體為：

x＝cos(S_g)·X-sin(S_g)·Y；

y＝sin(S_g)·X+cos(S_g)·Y；

z＝Z；

其中,X,Y,Z和為衛(wèi)星在地固坐標(biāo)系下的位置和速度，由星載GPS提供，單位為km和km/s；S_g為格林威治真恒星時角，單位為rad。

(2)若當(dāng)前為首次采樣，則跳轉(zhuǎn)至步驟(4)；反之，則進入步驟(3)；

(3)將上一采樣時刻更新后的衛(wèi)星位置和速度X_fi-1外推到當(dāng)前采樣時刻，獲得預(yù)估的衛(wèi)星位置和速度然后進入步驟(4)；

步驟(3)中獲得預(yù)估的衛(wèi)星位置和速度的方法，具體為：