[发明专利]一种航天器编队姿轨耦合建模与仿真方法

说明书

本发明公开了一种航天器编队姿轨耦合建模与仿真方法，包括：建立领航卫星期望姿态与轨道参数耦合模型、领航卫星实际姿态与轨道参数耦合模型、跟随卫星期望姿态与轨道参数耦合模型、以及跟随卫星实际姿态与轨道参数耦合模型；根据模型，分别解算得到领航/跟随卫星期望姿态与轨道参数、领航/跟随卫星实际姿态与轨道参数；根据解算得到的参数，进行飞行编队控制，实现跟随卫星相对领航卫星的编队飞行。本发明可用于卫星控制器设计，该方法一方面通过将姿态与轨道参数信息以对偶四元数的方式加以建模，能够更准确地建立出卫星动力学模型；另一方面，利用领航卫星参数来确定跟随卫星参数，可以使跟随卫星更精确地保持与领航卫星的相对位置关系。

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，尤其涉及一种航天器编队姿轨耦合建模与仿真方法。

背景技术

随着卫星技术的发展，人们开始考虑由多颗卫星组成一定的构型，相互保持一定的距离，共同协作完成同一空间任务的空间系统。这种卫星编队飞行的方法存在由于卫星间的距离较近，导致轨道位置和相对姿态变化较大，且互相耦合，这对于我们对卫星进行精确控制带来了很大的影响。

为了实现对编队卫星的精确控制，如何建立出更准确的卫星运动模型是一个亟待解决的问题。传统的姿态与轨道控制采取分别控制的方式，往往并不考虑姿态运动和轨道运动的耦合关系，在较近距离的航天器相对位姿控制中，由于对控制精度的要求较高，传统的分别建模方法的局限性也逐渐暴露出来。而对于一些考虑姿轨耦合问题而建立的模型，往往将重点放在了卫星之间的相对参数上，最终得到卫星的相对距离、相对姿态等，无法得到单颗卫星的真实参数，即无法得到每颗卫星实际的运动状况，这对于我们观察每颗卫星的实际情况带来了很大的困扰。此外，实际应用时并不能直接根据卫星的相对参数进行观测与控制，直接得到相对参数的模型在实际进行控制时会存在一些问题。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种航天器编队姿轨耦合建模与仿真方法，可以用于卫星控制器设计，该方法一方面通过将姿态与轨道参数信息以对偶四元数的方式加以建模，能够更准确地建立出卫星动力学模型；另一方面，利用领航卫星参数来确定跟随卫星参数，可以使跟随卫星更精确地保持与领航卫星的相对位置关系。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种航天器编队姿轨耦合建模与仿真方法，包括：

建立领航卫星期望姿态与轨道参数耦合模型、领航卫星实际姿态与轨道参数耦合模型、跟随卫星期望姿态与轨道参数耦合模型、以及跟随卫星实际姿态与轨道参数耦合模型；

根据领航卫星期望姿态与轨道参数耦合模型、领航卫星实际姿态与轨道参数耦合模型、跟随卫星期望姿态与轨道参数耦合模型、以及跟随卫星实际姿态与轨道参数耦合模型，分别解算得到领航卫星期望姿态与轨道参数、领航卫星实际姿态与轨道参数、跟随卫星期望姿态与轨道参数和跟随卫星实际姿态与轨道参数；

根据解算得到的领航卫星期望姿态与轨道参数、领航卫星实际姿态与轨道参数、跟随卫星期望姿态与轨道参数和跟随卫星实际姿态与轨道参数，进行飞行编队控制，实现跟随卫星相对领航卫星的编队飞行。

在上述航天器编队姿轨耦合建模与仿真方法中，领航卫星期望姿态与轨道参数耦合模型的建立流程如下：

根据对偶四元数定义，分别得到领航卫星绕地球运动的期望姿态与轨道参数耦合的姿态对偶四元数以及领航卫星绕地球运动的期望姿态与轨道参数耦合的速度对偶四元数/

根据和/建立领航卫星期望姿态与轨道参数耦合模型。

在上述航天器编队姿轨耦合建模与仿真方法中，

表示如下：

其中，q_DI表示领航卫星运动的期望姿态四元数，表示领航卫星相对地球惯性系的期望位置向量，ε表示对偶单位；

表示如下：