专利名称：一种基于航天器间相对运动特征量的伴飞初始化控制方法
一种基于航天器间相对运动特征量的伴飞初始化控制方法技术领域：
本发明一种基于航天器间相对运动特征量的伴飞初始化控制方法，涉及在近圆轨道条件下，追踪航天器在目标航天器后方建立长期、稳定伴飞状态的一种控制方法，属于航天器近程相对运动控制技术领域。背景技术：
航天器的伴飞初始化控制技术主要是通过轨道控制使追踪航天器由逐渐逼近目标航天器的状态转变为在目标航天器后方建立长期、稳定的伴飞状态的控制方法。航天器的伴飞初始化控制技术是空间交会对接任务、空间在轨服务与目标监视任务中的重要控制技术。
由于运载火箭以化学推进剂作为燃料，自身运载能力有限，所以大型的航天任务通常需要将有效载荷分批发射，然后在近地轨道通过交会对接的方式实现任务航天器的组装。在交会对接任务中，通常在目标航天器后方的逼近通道上设计多个长时段停泊点。这些停泊点一方面用于降低追踪航天器逼近目标航天器的速度，另一方面便于地面测控人员检查追踪航天器与目标航天器的运行状态，并决定是否进行下一阶段的逼近或对接操作。航天器的伴飞初始化控制技术可以控制追踪航天器建立上述的停泊状态。
伴随着卫星导航、卫星通信以及卫星对地观测技术的广泛应用，涉及上述功能的航天器逐渐被其所有者视为不可或缺的重要资产。对于这些重要资产的检测与维护，以及对于具有潜在威胁的空间目标的侦查、监视与干预成为近些年来航天领域所普遍讨论的话题。空间在轨服务与目标监视任务中，目标航天器后方的伴飞区域是一个位置极佳的观测位置。位于该区域的追踪航天器可以对目标航天器进行视场稳定的近距离观测。航天器的伴飞初始化控制技术可以控制追踪航天器在该区域建立长期、稳定的伴飞状态。
传统的伴飞初始化控制技术主要是根据希尔(Hill-ClohessyWiltshire HCff)方程设计控制方法。基于HCW方程设计的伴飞初始化控制方法以追踪航天器与目标航天器间的相对位置和相对速度作为控制输入，具有计算量小，数据处理简洁的优点，便于在实际工程中实现。但由于HCW方程中假设条件的局限性，基于HCW方程设计的伴飞初始化控制方法所建立的伴飞状态维持时间较短，需要在控制完成后额外进行多次的伴飞维持控制，燃料消耗较多。基于相对轨道要素(Relative Orbital Elements :R0E)方程设计的控制方法是另外一种伴飞初始化控制方法。由于ROE方程在模型精度上优于HCW方程，所以基于ROE 方程设计的伴飞初始化控制方法所建立的伴飞状态维持时间较长，在控制完成后需要额外进行伴飞维持控制的次数较少，燃料消耗也相应的减少。但由于基于ROE方程设计的伴飞初始化控制方法以相对的平均轨道要素作为控制变量，需要进行繁琐的迭代求解计算或滤波估计处理，增加了追踪航天器的数据处理负担。
发明内容
本发明为了协调现有的伴飞初始化控制中 的数据处理量与控制效果之间的矛盾，在基于ROE方程设计的控制方法的基础上，改进了控制量解算方法，优化了数据处理流程， 设计了一种基于航天器间相对运动特征量的伴飞初始化控制方法。本发明所述的伴飞初始化控制方法存储于追踪航天器上装备的数据处理单元内，根据同时装备的相对跟瞄设备输出的相对位置与相对速度信息，INS/GPS组合导航设备输出的追踪航天器的惯性位置与速度信息以及轨道控制时加速度计输出的比力信息，通过相应的数据解算和控制策略，控制推力器的开机、关机操作，使追踪航天器由逼近目标航天器的状态转变为长期、稳定的伴飞状态。本发明所述的基于航天器间相对运动特征量的伴飞初始化控制方法包括有轨道周期解算模块、相对运动特征量解算模块、轨道控制策略模块和推力器开关机判断模块。
本发明一种基于航天器间相对运动特征量的伴飞初始化控制方法，实施步骤如下
步骤一轨道周期解算模块(231)的实施
轨道周期解算模块(231)的实施包括以下三个步骤
步骤1.1 :通过数据总线，接收INS/GPS组合导航设备(202)提供的追踪航天器 200在地球惯性坐标系OeXeYeZe下的位置与速度「0
步骤1. 2 :根据追踪航天器(200)的惯性位置F11与速度得出追踪航天器(200) 的轨道周期T2tltl ；
步骤1. 3 :将轨道周期T2tltl输出给相对运动特征量解算模块(232)和轨道控制策略模块(233)。
步骤二 相对运动特征量解算模块(232)的实施
相对运动特征量解算模块(232)的实施包括以下三个步骤
步骤2.1 :通过数据总线，接收相对跟瞄设备(201)输出的目标航天器(100)在追踪航天器(200)的轨道坐标系OhXhYhZh下的相对位置Δ7和相对速度Δ Γ，以及轨道周期解算模块(231)输出的追踪航天器(200)的轨道周期T2tltl ；
步骤2. 2 :采用相对运动特征量解算方法，以T2tltl为周期得出相对运动特征量f ;
步骤2. 3 :将相对运动特征量6输出给轨道控制策略模块(233)。
步骤三轨道控制策略模块(233)的实施
轨道控制策略模块(233)的实施包括以下五个步骤
步骤3.1 :通过数据总线，接收相对跟瞄设备(201)输出的目标航天器(100)在追踪航天器(200)的轨道坐标系OhXhYhZh下的相对位置Δ7和相对速度ΛΓ
步骤3.2 :读取轨道周期解算模块(231)输出的追踪航天器(200)的轨道周期丁200 ;
步骤3. 3 :读取相对运动特征量解算模块(232)输出的相对运动特征量C ;
步骤3. 4 :根据伴飞初始化控制策略，生成轨道控制的作用时刻和脉冲作用矢量 Ci1,Μ,) {t2,M9) <i3，M3)和( 4,M4)；
步骤3. 5 :将轨道控制的作用时刻和脉冲作用矢量Iit1Ui2，風)，( 3，#3)和 ( 4，#4)输出给推力器开关机判断模块(234)。
步骤四推力器开关机判断模块(234)的实施
推力器开关机判断模块(234)的实施包括以下四个步骤
步骤4.1:通过数据总线，接收INS/GPS组合导航设备(202)输出的比力矢量BC20Q \
步骤4. 2 :读取轨道控制策略模块(233)输出的4次轨道控制A1, A2, A3和A4的作用时刻和脉冲作用矢量((，碎)佐，風)佐，風)和(纟4，風)；
步骤4. 3 :根据比力矢量轨道控制的作用时刻和脉冲作用矢量( ,,#,)> ( 2,Μ2)，(4，風)和(i4，i 4)以及推力器开关机判断条件，分别得出开关机指令cmx、cmy和 cmz ；
步骤4. 4 :将推力器开关机指令cmx、cmy和cmz输出给推力器(204)。
其中，步骤二中所述的相对运动特征量解算方法，是指根据相对跟瞄设备输出的相对位置，通过加减运算得到追踪航天器与目标航天器间相对运动特征的变量。
步骤三中所述的伴飞初始化控制策略，是指根据高精度的相对导航设备输出的信息，确定精确的轨道控制的作用时刻，和根据相对运动特征量和追踪航天器的轨道周期，进行四则运算确定轨道控制的脉冲作用矢量。
本发明一种基于航天器间相对运动特征量的伴飞初始化控制方法，具有以下优占-^ \\\ ·
①本发明所述的控制方法一方面保证了伴飞初始化控制的控制效果，另一方面采用简便易
行的控制量解算方法，避免了复杂控制变量的结算，简化了数据处理流程，减少了计算量。
②轨道周期解算模块231仅解算追踪航天器的轨道周期，并将其作为唯一的输出量，数据的处理量和传输量得到明显减少。
③相对运动特征量解算模块232根据相对跟瞄设备输出的相对位置，通过加减运算得到追踪航天器与目标航天器间相对运动特征的变量。表述形式简明，数据处理简便。由于采用高精度的相对导航信息进行解算，解算的精度可以得到保证。
④轨道控制策略模块233根据高精度的相对导航信息确定精确的轨道控制的作用时刻，根据相对运动特征量和追踪航天器的轨道周期进行四则运算确定轨道控制的脉冲作用矢量，具有数据处理简便的优点。
⑤推力器开关机判断模块234在生成推力器开机关机指令时采用INS/GPS组合导航设备中的加速度计进行实时测量，提高了轨道控制的控制精度。
图1是伴飞初始化控制示意图。
图2是本发明中伴飞初始化的信息处理流程图。
图3是目标航天器相对于追踪航天器的运动规律示意图。
图4A、4B、4C、4D、4E、4F是伴飞初始化控制的数值仿真结果比较图。
其中，图1中所述的A1, A2, A3和A4分别表示轨道控制策略模块233输出的第I次轨道控制，第2次轨道控制，第3次轨道控制和第4次轨道控制。
其中，图4A、4B为基于HCW方程的伴飞初始化控制的数值仿真结果；图4(、40为基于ROE方程的伴飞初始化控制的数值仿真结果；图4E、4F为基于相对运动特征量的伴飞初始化控制的数值仿真结果。
其中，图4A、4B、4C、4D、4E、4F中所述的x(km)，y(km)，z(km)中的km表示以千米为单位，所述的t (轨道周期)表示以追踪航天器的轨道周期为单位。
图中序号说明如下100为目标航天器，200为追踪航天器；300为目标航天器后方的伴飞区域；201为相对跟瞄设备、202为INS/GPS组合导航设备、203为数据处理单元、204 为推力器；231为轨道周期解算模块、232为相对运动特征量解算模块、233为轨道控制策略模块、234为推力器开关机判断模块具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1所示的伴飞初始化控制示意图，目标航天器100位于偏心率接近于O的近圆形地球轨道上，处于被动运动状态。追踪航天器200在目标航天器100的后方沿中心渐变的椭圆线(图中虚线)逐渐逼近目标航天器100，并期望在目标航天器100后方的长方形伴飞区域300内建立长期、稳定的伴飞状态。
本发明中伴飞初始化控制方法是指控制追踪航天器200由逼近状态转变为伴飞状态的过程。所述的追踪航天器200的逼近状态为追踪航天器200沿中心渐变的椭圆线逐渐逼近目标航天器100的状态，所述的追踪航天器200的伴飞状态为追踪航天器200在目标航天器100后方的长方形区域内进行伴飞。
本发明基于航天器间相对运动特征量的伴飞初始化控制方法中，所述的进行伴飞初始化控制的追踪航天器200需要配备相对跟瞄设备201、INS/GPS组合导航设备202、数据处理单元203以及推力器204。基于航天器间相对运动特征量的伴飞初始化控制方法借助上述设备使追踪航天器200在逼近到目标航天器100后方的伴飞区域300后，通过施加4次轨道控制4、A2、A3和A4,建立长期、稳定的伴飞状态。所述的轨道控制是指追踪航天器200 的数据处理单元203根据相对跟瞄设备201和INS/GPS组合导航设备202提供的导航数据， 结合数据解算与轨道控制策略，控制推力 器204的开关，以达到将追踪航天器200由逼近状态转变为伴飞状态的目的。其中，第I次轨道控制记为A1，第2次轨道控制记为A2,……， 第4次轨道控制记为A4。
参见图2所示，本发明所述伴飞初始化控制的信息流在追踪航天器200装备的相对跟瞄设备201、INS/GPS组合导航设备202、数据处理单元203和推力器204间传递。
相对跟瞄设备201 :相对跟瞄设备201通过相对导航敏感器测量和滤波估计方法处理将目标航天器100在追踪航天器200的轨道坐标系OhXhYhZh下的相对位置 Ar = [Ax Ay Δζ|和相对速度AF = [Air Ay 输出给数据处理单元203。所述追踪航天器200的轨道坐标系O η X H Y H Z η是指该坐标系的原点O η位于追踪航天器200的质心，平面O H X Η ζ H位于航天器运行的轨道平面，OhZh由追踪航天器200的质心指向地球中心，O η X H轴垂直于O η Z 向前，O η Y H轴由右手定则确定。所述八^八7和 Δ ζ是指相对位置Δ7在轨道坐标系OhXhYhZh下沿OhXh、OhYh和O11Z11轴的投影。所;ΙΛχ、Δ夕和&是指相对速度Δ 7在轨道坐标系OhXhYhZh下沿OhX H、Oh Y η和O η Z η轴的投影。
INS/GPS组合导航设备202 :1NS/GPS组合导航设备202通过惯性导航技术、 卫星定位技术和滤波估计方法处理将追踪航天器200在地球惯性坐标系OeXeYeZ G 下的位置 Z200 = [X200 7 u0 Z200Γ、速度 P200 = [^200 -F^ou ^00 Γ 以及轨道控制时在轨道坐标系OhXHhYhZh下INS/GPS组合导航设备202中的加速度计输出的比力矢量 SC2OO = [acr acy ac,]T输出给数据处理单元203。所述地球惯性坐标系OeXeYeZe是指该坐标系的原点Oe位于地球中心，平面OeXeYe位于地球赤道平面，OgXg轴指向春分点，OXZg轴垂直于地球赤道平面，指向北极，OgYg轴由右手定则确定。所述x2(l(l、y200和Z2tltl为惯性位置 F3nn在地球惯性坐标系OeXeYeZe下沿OeXp OgYg和OeZe轴的投影。所述矣、夕■和矣为惯性速度在地球惯性坐标系OeXeYeZe下沿OeXp OgYg和OeZe轴的投影。所述加速度计输出的比力矢量是指加速度计测量得到的加速度矢量中的非万有引力部分。所述acx、acy 和acz为比力矢量在追踪航天器200的轨道坐标系OhXhYhZh下沿0ΗΧΗ、 0ΗΥΗ和OhZh轴的投影。
数据处理单元203 :数据处理单元203用于存储本发明所述的伴飞初始化控制方法。伴飞初始化控制方法包括四个部分，分别为轨道周期解算模块231，相对运动特征量解算模块232、轨道控制策略模块233和推力器开关机判断模块234。
推力器204 :推力器204接收数据处理单元203输出推力器开关机指令cmx、cmy和 CHlz，控制相应的推力器组工作，为本发明所述的伴飞初始化控制提供控制力。当推力器开关机指令cmx、cmy、cmz取值为I时，沿0HXH、OhYh, OhZh轴正向产生控制力的推力器组开始工作。当推力器开关机指令cmx、cmy、cmz取值为-1时,沿0ΗΧΗ、0ΗΥΗ、0ΗΖΗ轴负向产生控制力的推力器组开始工作。当推力器开关机指令cmx、cmy、cmz取值为O时,沿0ΗΧΗ、0ΗΥΗ、0ΗΖΗ轴正、 负向产生控制力的推力器组停止工作。
本发明一种基于航天器间相对运动特征量的伴飞初始化控制方法，具体实施步骤为
步骤一轨道周期解算模块231的实施
轨道周期解算模块231的实施包括以下三个步骤
步骤1.1 :接收INS/GPS组合导航设备202输出的追踪航天器200在地球惯性坐标系 OgXgYgZg 下的位直/^00 = [I2Q0 y200 么200]与速度P OO =[文200 夕2Q0 么200] >
步骤1. 2 :根据追踪航天器200的惯性位置F200 = [x200 F20u ^200]1与速度 V200 = [^200 y UO z 00]解算追踪航天器200的轨道半长轴然后得出追踪航天器200 的轨道周期T2tltl ；
步骤1. 3 :将追踪航天器200的轨道周期T2tltl输出给相对运动特征量解算模块232 和轨道控制策略模块233。
所述追踪航天器200的轨道半长轴a·按照公式
权利要求
1.一种基于航天器间相对运动特征量的伴飞初始化控制方法，其特征在于，实施步骤如下步骤一轨道周期解算模块(231)的实施轨道周期解算模块(231)的实施包括以下三个步骤步骤1.1 :通过数据总线，接收INS/GPS组合导航设备(202)提供的追踪航天器200在地球惯性坐标系OeXeYeZe下的位置Fi与速度F2。。,步骤1. 2 :根据追踪航天器(200)的惯性位置巧。。与速度F(m得出追踪航天器(200)的轨道周期T2tltl ；步骤1. 3 :将轨道周期T2tltl输出给相对运动特征量解算模块(232)和轨道控制策略模块 (233)；步骤二 相对运动特征量解算模块(232)的实施相对运动特征量解算模块(232)的实施包括以下三个步骤步骤2.1 :通过数据总线，接收相对跟瞄设备(201)输出的目标航天器(100)在追踪航天器(200)的轨道坐标系OhXhYhZh下的相对位置和相对速度Δ7,以及轨道周期解算模块 (231)输出的追踪航天器(200)的轨道周期Τ2。。；步骤2. 2 :采用相对运动特征量解算方法，以T2tltl为周期得出相对运动特征量f ;步骤2. 3 :将相对运动特征量5输出给轨道控制策略模块(233)；步骤三轨道控制策略模块(233)的实施轨道控制策略模块(233)的实施包括以下五个步骤步骤3.1 :通过数据总线，接收相对跟瞄设备(201)输出的目标航天器(100)在追踪航天器(200)的轨道坐标系OhXhYhZh下的相对位F\r和相对速度Af;步骤3. 2 :读取轨道周期解算模块(231)轧出的追踪航天器(200)的轨道周期T2tltl ； 步骤3. 3 :读取相对运动特征量解算模块(232)输出的相对运动特征量C，步骤3. 4:根据伴飞初始化控制策略，生成轨道控制的作用时刻和脉冲作用矢量 ft,M1) It2，M2) (t3,M3)和(i4,M4) i步骤3. 5 :将轨道控制的作用时刻和脉冲作用矢量K1，風)(t2,M2) <4,私)和输出给推力器开关机判断模块(234)；步骤四推力器开关机判断模块(234)的实施推力器开关机判断模块(234)的实施包括以下四个步骤步骤4.1 :通过数据总线，接收INS/GPS组合导航设备(202)输出的比力矢量i^2。。； 步骤4. 2 :读取轨道控制策略模块(233)输出的4次轨道控制A1, A2, A3和A4的作用时刻和脉冲作用矢量(^，杯)汉2,#2) {t3,Μ^\\( Λ,Ma) ■,步骤4. 3 :根据比力矢量、轨道控制的作用时刻和脉冲作用矢量( ,#,)，( 2，#2)， ( 3，#3)和( 4,# )以及推力器开关机判断条件，分别得出开关机指令cmx、cmy和cmz。步骤4. 4 :将推力器开关机指令cmx、cmy和cmz输出给推力器(204)。
2.根据权利要求1所述的一种基于航天器间相对运动特征量的伴飞初始化控制方法， 其特征在于步骤二中所述的相对运动特征量解算模块，是指根据相对跟瞄设备输出的相对位置，通过加减运算得到追踪航天器与目标航天器间相对运动特征的变量。
3.根据权利要求1所述的一种基于航天器间相对运动特征量的伴飞初始化控制方法， 其特征在于步骤三中所述的伴飞初始化控制策略，是指根据高精度的相对导航设备输出的信息，确定精确的轨道控制的作用时刻，和根据相对运动特征量和追踪航天器的轨道周期，进行四则运算得出轨道控制的脉冲作用矢量。
全文摘要
本发明公开了一种在近圆轨道航天器后方根据相对运动特征量进行伴飞初始化控制的方法。该方法包括轨道周期解算模块、相对运动特征量解算模块、轨道控制策略模块以及推力器开关机控制模块。该控制方法存储于追踪航天器数据处理单元内，借助追踪航天器上装备的相对跟瞄设备、INS/GPS组合导航设备和推力器控制追踪航天器在目标航天器的后方区域内由逼近状态转换为长期、稳定的伴飞状态。该控制方法具有数据处理过程简洁，计算量小，控制效果好的优点。
文档编号B64G1/24GK102991728SQ20121058123
公开日2013年3月27日 申请日期2012年12月27日 优先权日2012年12月27日
发明者王楷, 徐世杰, 王大轶, 何英姿, 汤亮 申请人:北京航空航天大学