空间飞行器主动段轨道估计方法

摘要

本发明提出了空间飞行器主动段轨道估计方法，所述方法利用北斗卫星获取目标空间飞行器在主动段初始位置信息，建立目标空间飞行器主动段简化运动方程与分解方程，从而建立其空间飞行器运行轨道的运动方程模型和基于三阶多项式表示的空间飞行器运行轨道的估计模型；对所建立的轨道的估计模型进行求解，得出目标空间飞行器在主动段各个时间点的估计位置和估计速度。本发明能对主动段的空间飞行器进行更精确、更可靠、更自主地轨道估计，能为判断目标空间飞行器的类别与飞行意图提供更好的信息基础，该方法简单易行，实用性极强。

主权项

一种空间飞行器主动段轨道估计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤A，利用北斗卫星获取目标空间飞行器在主动段飞行一段时间内在基础坐标系下的初始位置信息；步骤B，根据变质量质点的动力学，建立目标空间飞行器在基础坐标系下的主动段的简化运动方程：$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{··}{\overrightarrow{r}}}_c\left(t\right)={\overrightarrow{F}}_e+{\overrightarrow{F}}_T=-\frac{G_m}{|{\overrightarrow{r}}_c\left(t\right){|}^3}{\overrightarrow{r}}_c\left(t\right)+{\overrightarrow{v}}_r\left(t\right)\frac{\stackrel{·}{m}\left(t\right)}{m\left(t\right)}\\ r_c\left(t\right)=\sqrt{x_c^2\left(t\right)+y_c^2\left(t\right)+z_c^2\left(t\right)}\\ G_m=3.986005\times {10}^{14}\end{array}\right.$其中,向量表示空间飞行器所受的外力加速度之和，表示火箭产生的推力加速度，m(t)为瞬时质量；是质量变化率；为空间飞行器在基础坐标系下的位置矢量；r_c(t)为的绝对值表示空间飞行器在基础坐标系下到坐标原点的距离；表示对时间t的二阶导数，即加速度；是燃料相对于火箭尾部喷口的喷射速度，G_m为地球引力常数，x_c(t)、y_c(t)、z_c(t)为t时刻目标空间飞行器在基础坐标系下的位置；步骤C，将目标空间飞行器的简化运动方程进行分解，分解为以下方程组：$\left\{\begin{array}{c}\frac{d}{dt}\left[\begin{array}{c}{\stackrel{·}{x}}_c\left(t\right)\\ {\stackrel{·}{y}}_c\left(t\right)\\ {\stackrel{·}{z}}_c\left(t\right)\end{array}\right]={\overrightarrow{F}}_e+{\overrightarrow{F}}_T\\ \frac{d}{dt}\left[\begin{array}{c}{x}_c\left(t\right)\\ y_c\left(t\right)\\ z_c\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\stackrel{·}{x}}_c\left(t\right)\\ {\stackrel{·}{y}}_c\left(t\right)\\ {\stackrel{·}{z}}_c\left(t\right)\end{array}\right]\end{array}\right.$其中，为t时刻目标空间飞行器在基础坐标系下的速度；步骤D，取m(t)为严格单调递减的非负函数，则选取m(t)模型为：$m\left(t\right)=m_0-\stackrel{·}{m}\left(t\right)$其中，m₀为目标初始质量；是燃料相对于火箭尾部喷口的喷射速度，取的方向与飞行器的速度方向反向共线，其大小稳定，则选取模型为：${\overrightarrow{v}}_r\left(t\right)=-\overrightarrow{v}\left(t\right)$其中，为飞行器的速度；步骤E，将目标空间飞行器的简化运动方程与分解方程以及m(t)模型、模型进行结合，建立其空间飞行器运行轨道的运动方程模型：$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{··}{\overrightarrow{r}}}_c\left(t\right)={\overrightarrow{F}}_e+{\overrightarrow{F}}_T=-\frac{G_m}{|{\overrightarrow{r}}_c\left(t\right){|}^3}{\overrightarrow{r}}_c\left(t\right)+{\overrightarrow{v}}_r\left(t\right)\frac{\stackrel{·}{m}\left(t\right)}{m\left(t\right)}\\ \frac{d}{dt}\left[\begin{array}{c}{x}_c\left(t\right)\\ y_c\left(t\right)\\ z_c\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\stackrel{·}{x}}_c\left(t\right)\\ {\stackrel{·}{y}}_c\left(t\right)\\ {\stackrel{·}{z}}_c\left(t\right)\end{array}\right]\\ \frac{d}{dt}\left[\begin{array}{c}{\stackrel{·}{x}}_c\left(t\right)\\ {\stackrel{·}{y}}_c\left(t\right)\\ {\stackrel{·}{z}}_c\left(t\right)\end{array}\right]={\overrightarrow{F}}_e+{\overrightarrow{F}}_T\\ m\left(t\right)=m_0-\stackrel{·}{m}\left(t\right)\\ {\overrightarrow{v}}_r\left(t\right)=-\overrightarrow{v}\left(t\right)\\ r_c\left(t\right)=\sqrt{x_c^2\left(t\right)+y_c^2\left(t\right)+z_c^2\left(t\right)}\\ G_m=3.986005\times {10}^{14}\end{array}\right.$步骤F，不考虑系统误差，在空间飞行器运行轨道的运动方程模型基础上，建立基于三阶多项式表示的空间飞行器运行轨道的估计模型：$\left\{\begin{array}{c}{x}_c\left(t\right)=a_1+a_{2}t+a_3{t}^2+a_4{t}^3\\ y_c\left(t\right)=a_6+a_{6}t+a_7{t}^2+a_8{t}^3\\ z_c\left(t\right)=a_9+a_{10}t+a_{11}{t}^2+a_{12}{t}^3\\ {\stackrel{·}{x}}_c\left(t\right)=a_2+2a_{3}t+3a_4{t}^2\\ {\stackrel{·}{y}}_c\left(t\right)=a_6+2a_{7}t+3a_8{t}^2\\ {\stackrel{·}{z}}_c\left(t\right)=a_{10}+2a_{11}t+3a_{12}{t}^2\end{array}\right.$其中，a₁、a₂…a₁₂分别为待估计的参数；步骤G，利用北斗卫星获取的目标空间飞行器在飞行主动段在基础坐标系下的初始位置信息数据，对模型中待估计的参数进行求解，得到确切的空间飞行器运行轨道的估计模型，从而得出目标空间飞行器在主动段各个时间点的估计位置和速度，实现目标空间飞行器的轨道估计。