[发明专利]一种星上相对运动状态获取方法

说明书

技术领域

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

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。

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

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。

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：

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-X_oY_oZ_o)：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：

其中ω为目标卫星轨道角速度，a_x、a_y、a_z为各轴施加的控制力，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，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a_x＝a_y＝a_z＝0，已知t₀时刻两星的相对位置(x₀，y₀，z₀)和相对速度令k＝y₀，则C-W方程解析解表示为

其中τ＝t-t₀，(x_t，y_t，z_t)表示t时刻两星的相对位置，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ε₀，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t_i时刻C－W拟合相对运动预报的测量方程表示为

p_i＝Ψ_iX；(4)

若有l个t_i时刻的相对位置测量量，则总的C－W拟合相对运动预报的测量方程可以表示为

P＝ΦX；(5)

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＝(Φ^TΦ)^-1Φ^TP；(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