[发明专利]一种静止轨道卫星自主轨道控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种静止轨道卫星自主轨道控制方法，属于卫星自主轨道控制技术领域，可以应用于静止轨道卫星长期运行管理任务。 

背景技术

卫星自主轨道控制属于目前航天各国争相开展的研究工作，它属于航天器导航、制导与控制方向上的制导与控制部分，从现在公布的资料可知，存在一类近似自主轨道控制的卫星，如美国的深空探测卫星一号，虽然可以利用Remote Agent进行自主运行管理，但轨道控制需要按照计划进行，主要表现在制导方面仍然基于地面的规划，所以真正完全的自主轨道控制，尤其是进行航天器在轨长期维持时的自主轨道控制并不多，实现较为困难。 

在高轨道卫星上，国外成功型号有1975年美国空军发射的林肯试验卫星8号和9号，星上配备的测量系统包括两个太阳穿越敏感器和地平扫描器，该系统可确定卫星的经度及卫星滚动和俯仰姿态角。尽管该系统自主位置保持的精度不是很高，并且飞行任务有限，但是它证明了卫星自主导航的可行性。相关具体技术并未在公开资料上公布。 

近些年来，对自主控制研究的重点是星座自主控制技术，它的成功将为地面进行星座轨道维持管理提供巨大的方便，节省星座运行成本。星座自主运行从技术实现上比单颗卫星复杂。星座中的每颗卫星由于其初始入轨误差以及在轨运行期间所受轨道摄动的微小差异，经过一段时间的飞行，星座卫星就会逐渐偏离设计轨道，使星座结构失衡，最后导致星座失效，甚至卫星之间发生碰撞。星座轨道控制的任务就是要完成初始构形捕获后，保持一定的星座构形。 

铱星系统虽然在商业上失败了，但在星座自主运行技术上却是非常成功的。 铱星星座的轨道控制(包括备份星的轨道提升、工作星的位置保持和退役星的离轨机动)既可星上自主进行，也可根据地面指令执行。每颗卫星及其相邻卫星的星历均由星上外推获得，并且每隔一星期左右由地面更新一次。卫星被部署到其最终工作轨道且初始姿态稳定后，系统就处于完全自主运行状态，但仍具有地面控制的备份能力，位置精度为：纵向±6km；横向±5km。 

Microcosm设计的星座结构自主保持系统充分利用了Microcosm在很多飞行器上使用过的软、硬件和导航系统。仿真结果显示，通过现有的LEO星座的自主位置控制系统，可以将绝大多数轨道面内位置误差控制在1.5km以内，而无需复杂的星间通信和地面控制系统。垂直轨道面控制的长期位置误差可以保持在1km之内。Microcosm公司的OCK软件已成功地用于Surrey大学的UoSat-12卫星的自主控制。在从1999年9月23日开始的为期29天的自主轨道控制实验中，卫星共点火53次，总速度增量73.3mm/s，位置保持精度在0.9km范围内。 

美国EO-1/LandSat-7编队飞行试验对星座自主轨道控制进行了演示，这是NASA新千年计划项目之一，目的就是验证星座自主性。NASA戈达德空间中心利用基于模糊逻辑的轨道机动和闭环轨道控制形成了轨道自主控制软件，结合GPS导航和电推进技术，能够在星上融合诸多冲突自主实现星座相对位置控制。在EO-1相对Landsat-7轨道保持阶段，它能够自主维持在轨道误差盒之内。 

还有一大类自主轨道控制是交会、拌飞等多个航天器近距离相对运动的控制，如航天飞机与国际空间站、我国的天宫一号与神舟八号之间的自主交会对接以及美国近两年的卫星近距离接近和拌飞实验；这些控制主要依据近距离相对测量敏感器，如微波雷达、可见光相机以及相对GPS等，实现的自主控制方式一般是实时闭环轨道控制，控制频率高，燃料消耗较大，当然其控制精度也较高；控制的目的显然与在轨长期工作下卫星轨道维持不同，这些控制方式通常无需考虑航天器之间的摄动差，控制的优化解中燃料消耗仅是一个相对次要的因素，更多的是关注位置精度和时间约束。 

相对来说，单星轨道控制上，低轨道卫星轨道控制算法比静止轨道卫星更加 简单，主要是进行轨道抬高或降低，一般不进行轨道面外变轨，抵消摄动影响或是根据在轨要求进行轨道高度调整，所以对于单星自主轨道控制而言，除了深空探测航天器较为复杂外，静止轨道卫星的轨道控制是比较复杂，对自主轨道控制的要求就更高。 

我国目前入轨的卫星均不具备自主控制能力，但已经对自主控制能力提出了要求，如在失去地面站支持的情况下，要求静止轨道通信卫星在180天内的姿态和位置控制系统正常工作，确保通信卫星系统实现各种情况下的通信要求，这在对卫星自主导航提出的要求同时，也对卫星自主长期轨道维持技术提出了新的挑战。 

发明内容