一种交会航天器地面导引轨道机动故障判别方法

摘要

本发明涉及一种交会航天器地面导引轨道机动故障判别方法，该方法基于航天器机动前后轨道测量数据，根据轨道误差传播机理获得正常情况下机动后航天器轨道偏离标称轨道范围；通过轨道仿真计算轨道机动后的标称轨道，将机动后测量轨道与标称轨道做差；通过比较该偏差量与正常偏离范围判断航天器实际轨道机动是否正常。该方利用已有的轨道测量数据进行轨道机动故障判别，不妨碍已有的航天器飞行控制流程；通过解析的方法进行误差影响传播，算法简单、速度计算快。

主权项

一种交会航天器地面导引轨道机动故障判别方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：第一步：确定机动前定轨误差影响，通过解析将机动前定轨误差协方差矩阵传递到机动后定轨时刻；轨道机动前定轨时刻t₀，通过测轨数据拟合得的t₀时刻航天器位置速度分别为R_D(t₀)、V_D(t₀)，对应的轨道要素为E_D(t₀)＝[a(t₀)，e(t₀)，i(t₀)，Ω(t₀)，ω(t₀)，f(t₀)]，平均轨道角速度为其中μ为地心引力常数，a为半长轴，e为偏心率，i为轨道倾角，Ω为升交点赤经，ω为近拱点角距，f为真近点角，该定轨数据在轨道坐标系下的位置、速度均方差分别为σ_r(t₀)＝[σ_x(t₀)，σ_y(t₀)，σ_z(t₀)]^T与其中轨道坐标系的原点在航天器质心，x轴由地心指向航天器方向，y轴垂直于x轴沿轨道运动方向，z轴沿轨道法向并构成右手坐标系，t₀时刻的定轨误差协方差矩阵表示为$C_d\left(t_0\right)=\left[\begin{array}{cccccc}{{\sigma }_x}^2\left(t_0\right)& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& {{\alpha }_y}^2\left(t_0\right)& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& {{\sigma }_z}^2\left(t_0\right)& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& {{\sigma }_{v_x}}^2\left(t_0\right)& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& {{\sigma }_{v_x}}^2\left(t_0\right)& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& {{\sigma }_{v_x}}^2\left(t_0\right)\end{array}\right]$t₀时刻定轨误差传播到机动后定轨时刻t_f的影响协方差矩阵为C_d′(t_f，t₀)＝Φ(t_f，t₀)C_d(t₀)Φ^T(t_f，t₀)   (1)其中，τ′＝n(t_f‑t₀)，s′＝sinτ′，c′＝cosτ′，$\Phi (t_f,t_0)=\left[\begin{array}{cccccc}4-3c^{\prime }& 0& 0& s^{\prime }/n& -2(c^{\prime }-1)/n& 0\\ 6(s^{\prime }-{\tau }^{\prime })& 1& 0& 2(c^{\prime }-I)/n& (4s^{\prime }-3{\tau }^{\prime })/n& 0\\ 0& 0& c^{\prime }& 0& 0& s^{\prime }/n\\ 3{\mathrm{ns}}^{\prime }& 0& 0& c^{\prime }& 2s^{\prime }& 0\\ 6n(c^{\prime }-1)& 0& 0& -2s^{\prime }& -3+4c^{\prime }& 0\\ 0& 0& -{\mathrm{ns}}^{\prime }& 0& 0& c^{\prime }\end{array}\right];$$C_{\Delta v}=\left[\begin{array}{ccc}{{\sigma }^2}_{{\mathrm{\Delta v}}_x}& 0& 0\\ 0& {{\sigma }^2}_{{\mathrm{\Delta v}}_y}& 0\\ 0& 0& {{\sigma }^2}_{{\mathrm{\Delta v}}_{\tau }}\end{array}\right]$t_m时刻轨道机动误差对机动后定轨时刻t_f的影响协方差矩阵为C_Δv″(t_f，t_m)＝Φ_v(t_f，t_m)C_ΔvΦ_v^T(t_f，t_m)   (2)其中，τ″＝n(t_f‑t_m)，s″＝sinτ″，c″＝cosτ″，${\Phi }_v(t_f,t_m)=\left[\begin{array}{ccc}{s}^{\prime \prime }/n& -2(c^{\prime \prime }-1)/n& 0\\ 2(c^{\prime \prime }-1)/n& (4s^{\prime \prime }-3{\tau }^{\prime \prime })/n& 0\\ 0& 0& s^{\prime \prime }/n\\ c& 2s^{\prime \prime }& 0\\ -2s^{\prime \prime }& -3+4C^{\prime \prime }& 0\\ 0& 0& c^{\prime \prime }\end{array}\right];$第三步：确定轨道误差综合影响范围，将机动前定轨误差影响、机动执行误差影响及机动后定轨误差的协方差矩阵相加作为轨道误差综合影响协方差矩阵；机动后定轨时刻t_f，航天器位置速度为R_D(t_f)、V_D(t_f)，对应的轨道要素为E_D(t_f)＝[a(t_f)，e(t_f)，i(t_f)，Ω(t_f)，ω(t_f)，f(t_f)]，该定轨数据在轨道坐标系下的位置、速度均方差分别为σ_r(t_f)＝[σ_x(t_f)，σ_y(t_f)，σ_z(t_f)]^T与t_f时刻的定轨误差协方差矩阵表示为$C_d\left(t_f\right)=\left[\begin{array}{cccccc}{{\sigma }_x}^2\left(t_f\right)& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& {{\sigma }_y}^2\left(t_f\right)& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& {{\sigma }_z}^2\left(t_f\right)& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& {{\sigma }_{v_x}}^2\left(t_f\right)& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& {{\sigma }_{v_x}}^2\left(t_f\right)& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& {{\sigma }_{v_x}}^2\left(t_f\right)\end{array}\right]$因此轨道误差的综合影响协方差矩阵为C_d″(t_f)＝C_d′(t_f，t₀)+C_Δv″(t_f，t_m)+C_d(t_f)将上式代入公式(1)与(2)，可得公式(3)，C_d″(t_f)＝Φ(t_f，t₀)C_d(t₀)Φ^T(t_f，t₀)+Φ_v(t_f，t_m)C_ΔvΦ_v^T(t_f，t_m)+C_d(t_f)   (3)C_d″(t_f)六个对角线元素的均方根记为σ_x、σ_y、σ_z、与分别表示误差综合影响三个位置分量与三个速度分量的均方差；第四步：判别轨道机动是否存在故障，将机动后定轨数据与标称轨道做差，通过比较该差值及由误差综合影响协方差矩阵确定的正常轨道偏差范围判断轨道机动是否存在故障；根据机动前定轨状态R_D(t₀)、V_D(t₀)及机动参数Δv进行轨道仿真，获得机动标称执行情况下t_f时刻航天器状态为R_P(t_f)、V_P(t_f)，对应的轨道要素为E_P(t_f)，t_f时刻，轨道仿真状态与定轨状态在轨道坐标系中的相对位置为r＝Ψ₃[u(t_f)]Ψ₁[i(t_f)]Ψ₃[Ω(t_f)][R_P(t_f)‑R_D(t_f)]相对速度为$\nu ={\Psi }_3\left[u\left(t_f\right)\right]{\Psi }_1\left[i\left(t_f\right)\right]{\Psi }_3\left[\Omega \left(t_f\right)\right][V_P\left(t_f\right)-V_D\left(t_f\right)]-\left(\begin{array}{c}0\\ 0\\ n\end{array}\right)\times r$其中，u(t_f)＝ω(t_f)+f(t_f)，${\Psi }_3\left[\Omega \left(t_f\right)\right]=\left[\begin{array}{ccc}cos\Omega \left(t_f\right)& sin\Omega \left(t_f\right)& 0\\ -sin\Omega \left(t_f\right)& cos\Omega \left(t_f\right)& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right],{\Psi }_1\left[i\left(t_f\right)\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos i\left(t_f\right)& \sin i\left(t_f\right)\\ 0& -\sin i\left(t_f\right)& \cos i\left(t_f\right)\end{array}\right],$${\Psi }_3\left[u\left(t_f\right)\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos u\left(t_f\right)& \sin u\left(t_f\right)& 0\\ -\sin u\left(t_f\right)& \cos u\left(t_f\right)& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right],$当r与v满足公式(4)时，认为轨道机动执行正常；$\left\{\begin{array}{c}\left|\right|r\left|\right|\le 3\sqrt{{{\sigma }_x}^2+{{\sigma }_y}^2+{{\sigma }_z}^2}\\ \left|\right|v\left|\right|\le 3\sqrt{{{\sigma }_{v{}_x}}^2+{{\sigma }_{v_y}}^2+{{\sigma }_{v_z}}^2}\end{array}\right.---\left(4\right)$否则，认为轨道机动可能存在故障。pb pnum="4" />