一种星上相对运动状态获取方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及在空间飞行器编队飞行、交会对接对任务中星上高精度相对导航技术 领域。
【背景技术】
[0002] 在编队飞行相对轨道控制中主要控制相对速度的大小和方向，因此相对速度的精 度对编队飞行的编队效果起着至关重要的作用，尤其在小尺度精确编队飞行空间控制任务 之中。实际上对于一些非合作目标探测，相对导航敏感器输出的相对速度精度较差，甚至有 些无法直接获取，而相对位置精度较高，而且可能具有间歇性不可用，不能输出相对导航信 息；此外，对于机动平台的伴飞模式，为制定最优相对运动控制策略，需要长时间精确预报 两星的相对运动状态，以精确确定到达误差边界时刻，制定控制策略，因此相对测量敏感器 间歇不可用情况下高精度相对导航和星上长时间相对运动状态预报问题需要迫切解决。
[0003] 目前通常的做法是通过卡尔曼滤波器对相对速度进行滤波，得到较高精度的相对 速度初始信息，采用单事件点求解C-W方程的解析解系数，从而在导航数据中断下利用解 析解进行相对运动状态预报。采用卡尔曼滤波和单事件点C-W方程的解析解进行预报存在 以下缺点：一是不能精确描述两星的相对运动在空间构型；二是没有考虑C-W方程的解析 解误差，由于解析解没有考虑空间摄动等约束长时间预报精度差，使用预报结果进行制导 控制律计算时，制导律误差大，编队控制误差大；三是计算量大，需要星上进行较多采样才 能获得理想结果，如果导航数据中断，则滤波结果较差，甚至给编队飞行控制带来灾难性后 果。
【发明内容】
[0004] 本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种星上相对运动状态获 取方法，实现导航敏感器间歇性不可用下高精度相对状态量的获取和长时间相对运动状态 的预报，解决相对测量敏感器间歇不可用情况下高精度相对导航和星上长时间相对运动状 态预报问题。
[0005] 本发明的技术方案是：一种星上相对运动状态获取方法，步骤如下：
[0006] 1)建立目标卫星轨道坐标系
[0007] 目标卫星轨道坐标系定义为（0-HZ。）：坐标原点位于目标卫星质心，Z轴在目标 卫星轨道平面内由目标卫星质心指向地心；Y轴垂直轨道平面，指向轨道平面负法线，与轨 道动量矩矢量H方向相反；X轴与Y、Z轴构成右手螺旋，指向卫星飞向方向；
[0008] 将两星的相对状态表述在目标卫星轨道坐标系下，定义两星相对位置、速度矢量
【主权项】
1. 一种星上相对运动状态获取方法，其特征在于包括如下步骤： 1) 建立目标卫星轨道坐标系 目标卫星轨道坐标系定义为（O-XtXZtj):坐标原点位于目标卫星质心，Z轴在目标卫星 轨道平面内由目标卫星质心指向地心；Y轴垂直轨道平面，指向轨道平面负法线，与轨道动 量矩矢量H方向相反；X轴与Y、Z轴构成右手螺旋，指向卫星飞向方向； 将两星的相对状态表述在目标卫星轨道坐标系下，定义两星相对位置、速度矢量在目 标卫星轨道坐标系表示为
2) 在卫星轨道坐标系中求解C-W方程解析解 用C-W方程描述两星相对运动动力学方程，则C-W方程在目标卫星轨道坐标系中为：
(1) 其中ω为目标卫星轨道角速度，ax、ay、azS各轴施加的控制力，i、j、i·为相对位置 矢量在目标卫星轨道坐标系分量对时间的一阶导数，i、?为相对位置矢量在目标卫 星轨道坐标系分量对时间的二阶导数； 当目标卫星不作机动飞行时，即ax= a y= a ζ= 0,已知t C1时刻两星的相对位置（X。， yQ，zQ)和相对速度（i。，九，iu )，令
，则C-W方程解析解表示为
； (2) (3) 其中τ = t-td，（xt，yt，zt)表示t时刻两星的相对位置，（i,，，i,)表示t时刻两 星的相对速度； 3) 建立最小二乘拟合量测方程 将系数σ，c，d，h，k作为状态量，将从相对导航敏感器获取的相对位置
作 为测量量，则ti时刻C 一 W拟合相对运动预报的测量方程表示为
若有1个&时刻的相对位置测量量，则总的c 一 w拟合相对运动预报的测量方程可以 表示为
4) 求解拟合C-W解系数 根据最小二乘求解方法，则方程式（5)的解为 X = (φτφ)-!φτρ . (6) 5) 求解拟合C-W解 通过（6)式精确求解X后，则拟合C-W解为
6) 根据当前时刻t，则τ = t-h，将τ和目标卫星轨道角速度ω带入公式（7)，获得 t时刻两星的相对运动状态；所述的目标卫星轨道角速度ω在编队飞行中由地面定轨或自 主绝对导航给出。
【专利摘要】本发明公开了一种星上相对运动状态获取方法，首先根据C-W方程得出其解析解，以C-W方程解析解与时间无关的量作为未知量，将相对测量敏感器测量精度较高的相对位置作为测量量，通过最小二乘拟合的方法拟合求解与时间无关未知量，得到代表两星实际相对运动情况的相对运动状态高精度长时间预报解(简称拟合C-W解)。这种方法的好处是拟合C-W解预报结果受精度较高的实际测量量的约束，反映了两星实际相对运动状态，克服了C-W方程解析解的局限性，而且预报精度较高，解决了相对测量敏感器间歇不可用情况下高精度相对导航和星上长时间相对运动状态预报问题，具有较强的工程实践性。
【IPC分类】G05D1-10
【公开号】CN104765373
【申请号】CN201510051446
【发明人】李克行, 苟兴宇, 张斌, 何英姿, 魏春岭, 白旭辉, 董筠, 汤亮, 朱志斌
【申请人】北京控制工程研究所
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2015年1月30日