一种卫星自主编队飞行控制方法

摘要

本发明公开了一种卫星自主编队飞行控制方法，通过轨道平根数差进行编队飞行控制，由于轨道平根数差较准确的反映了卫星之间相对运动的长期趋势，这种方法可以较好的控制相对运动的长期变化。本发明通过设计轨道平面内的平半长轴差控制策略，采用分区间设置控制目标的方式，保证在控制区间内的漂移速度较小；在控制区间外时，能以较快的速度回到控制区间内。本发明通过轨控使用多次小脉冲喷气、姿控使用动量轮的方式，减少姿态喷气控制对轨道的影响，提高轨道控制执行精度。

主权项

一种卫星自主编队飞行控制方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)根据A星绝对轨道GPS数据获得A星绝对位置、速度；根据差分GPS数据获得A星和B星的相对位置、速度；根据A星绝对位置、速度与所述相对位置、速度得到B星的绝对位置、速度；(2)根据A星绝对位置、速度计算A星瞬时轨道根数，根据B星绝对位置、速度计算B星瞬时轨道根数；A星瞬时轨道根数包括半长轴a_A,偏心率e_A，倾角i_A，升交点赤经Ω_A，近地点幅角ω_A，平近点角M_A，纬度幅角u_A以及幅角和λ_A，λ_A＝ω_A+M_A；(3)根据A星瞬时轨道根数计算A星平根数，根据B星瞬时轨道根数计算B星平根数；A星平根数与B星平根数的计算方法相同；A星平根数包括平半长轴平偏心率矢量和平倾角和平升交点赤经B星平根数包括平半长轴平偏心率矢量和平倾角和平升交点赤经(4)将A星平根数和B星平根数进行处理得到两星的平根数差，两星的平根数差包括平半长轴差平偏心率矢量差和平倾角矢量差和(5)对平根数差进行一阶滤波获得滤波后的平根数差，所述滤波后的平根数差包括平半长轴差Δa、偏心率矢量差Δe_x和Δe_y、倾角矢量差Δi_x和Δi_y；(6)判断是否需要进行轨道平面外控制，当大于阈值Δi_max时，转入步骤(7)进行轨道平面外控制计算；当不大于阈值Δi_max时，不进行轨道平面外控制，转入步骤(10)；同时判断是否需要进行轨道平面内控制，当x_r<X2或x_r>X3时，转入步骤(8)进行轨道平面内控制计算；当X2≤x_r≤X3时，不进行轨道平面内控制，转入步骤(10)；x_r为A星和B星在飞行方向上的相对位置，X2，X3为位置阈值；(7)轨道平面外控制计算的步骤如下：(7.1)根据公式计算平面外控制所需要的速度增量Δv_y；为平均轨道角速度，μ为地球引力常数；(7.2)根据公式u_y＝arctan2(Δi_x,‑Δi_y)计算平面外控制所需要的纬度幅角u_y；(7.3)计算开机时间t_y和最终的轨道平面外控制所需要的速度增量令Δu₁＝u_y‑u_A，$\Delta {\hat{u}}_1=\mathrm{mod}\_2PI({\mathrm{\Delta u}}_1,2\pi ),$${\mathrm{\Delta u}}_2=\Delta {\hat{u}}_1+\pi ,$$\Delta {\hat{u}}_2=\mathrm{mod}\_2PI({\mathrm{\Delta u}}_2,2\pi )$如果则令t为当前时间，令否则，令其中，arctan2(y,x)函数表示先计算arctan(y/x)，并根据x和y的正负取合适的象限，最后得到的角度值在[‑π，π)区间内，mod_2PI(x,2π)表示将角度值x的取值归算到[0,2π)区间内；(7.4)转入步骤(9)；(8)轨道平面内控制计算的步骤如下：(8.1)根据如下公式计算两个脉冲速度增量Δv_x1和Δv_x2，以及两个脉冲对应的轨道纬度幅角和Δa₁为第一半长轴差控制目标、Δa₂为第二半长轴差控制目标，Δa₁>Δa₂，X1、X4为位置阈值，X1<X2<X3<X4，Δv_a、Δv_e为中间变量；Δv_x1＝Δv_a+Δv_e，Δv_x2＝Δv_a‑Δv_e，u_x1＝arctan2(‑Δe_y,‑Δe_x)，${\hat{u}}_{x1}=mod\_2PI(u_{x1},2\pi ),$u_x1、u_x2为中间变量，${\hat{u}}_{x2}=mod\_2PI(u_{x2},2\pi );$(8.2)确定最终的第一脉冲的速度增量和第二脉冲的速度增量计算先执行的速度增量对应的轨道纬度幅角与当前轨道纬度幅角的差Δu；如果且(或)，则令如果且且则令否则，令(8.3)令获得最终的纬度幅角的差根据公式计算第一脉冲的开机时间t_x1，根据公式计算第二脉冲的开机时间t_x2；(8.4)转入步骤(9)；(9)速度增量脉冲执行，根据每个方向计算的速度增量、轨控推力器的推力大小以及卫星质量确定相应方向的轨控推力器的开机时长；根据开机时长确定轨道控制和姿态控制方式，当开机时长大于设定值时，姿态控制使用姿控推力器，在计算的开机时间，打开轨控推力器，轨控推力器连续喷气，使用加速度计测量速度增量，进行速度增量的累积，当速度增量累积到大于计算的速度增量时关闭轨控推力器；当开机时长小于等于设定值时，姿态控制使用动量轮，在计算的开机时间，打开轨控推力器，轨控推力器在开机后的每个控制周期内执行一个短时间的喷气，一直到喷气时间累积到大于开机时长时关闭轨控推力器；(10)结束。