[发明专利]面对地球静止轨道目标操作的空间多机器人自主导航方法

说明书

本发明公开了一种面对地球静止轨道目标操作的空间多机器人自主导航方法，首先以GEO目标卫星为在轨服务对象，设计两个空间机器人(设为主星和子星)编队飞行构型和轨道参数，然后根据地心惯性坐标系下卫星相对轨道动力学模型，建立自主导航系统状态模型；其次提出主星星敏感器观测子星所需满足的理论光照条件和成像条件。计算子星相对主星理论方位角与俯仰角，调整真实星敏感器光轴与理论方向一致，对子星进行真实观测，建立以相对单位方向矢量和距离为观测量的观测方程；最后使用Unscented卡尔曼滤波估计主星相对位置和速度，本发明属于航天导航技术领域，不仅可以为卫星在GEO编队飞行提供高精度导航信息，而且可以为其自主导航系统设计提供参考。

技术领域

本发明属于航天器在轨服务空间测量领域，尤其涉及一种面对地球静止轨道目标操作的空间多机器人自主导航方法。

背景技术

地球静止轨道(Geostationary orbit，GEO)是人类独一无二的轨道资源，位于该轨道的卫星(简称GEO卫星)，覆盖面积大，且相对于地面是静止的，在通信、导航、预警、气象等民用和军用领域正日益发挥着越来越重要的作用。对于某些任务，需要将多个卫星组网，形成星座，如美国的DSP(国防支援计划)导弹预警卫星，在GEO轨道上始终保持有5颗(3颗工作，2颗备用)卫星；其天基红外系统(SBIRS)的高轨段也包括4颗GEO卫星和2颗大椭圆轨道卫星。正在建设的北斗系统，是我国自主发展、独立运行的全球卫星导航系统，由5颗静止轨道卫星和30颗其他类型卫星组成。与发达国家相比，我国卫星的在轨故障率较高，近年来失效的重要GEO卫星包括鑫诺二号卫星(2006年)、北斗一号04星(2007年)、尼日利亚星(2007年发射，2008年失效)、北斗G2星(2009年)等，严重影响了我国航天技术的发展。特别是北斗G2星(北斗卫星导航系统中5颗GEO卫星之一)的失效，影响了整个导航系统的组网进程，使我国不得不于2012年又发射了一颗替代星(G2R，又称G6)定点在与该故障星相距0.2°的位置。

为保障在轨航天器长期稳定运行，并保护GEO轨道资源，必须发展以空间机器人为手段，卫星维修及太空垃圾清除为目的的在轨服务技术。由于轨道高度高、第三体引力不可忽略，用于GEO服务的空间机器人自身的发射、管理及维护成本也很高。因此需要空间多机器人系统对某一弧段内的多颗GEO卫星进行在轨维护，可大大节约卫星维护的成本，提高在轨服务效率。目前的空间机器人系统，包括已经发射并在轨演示的ETS-VII、轨道快车，以及正在开展的FREND、DEOS等系统，均是以单颗卫星作为服务对象，且服务内容较单一，不能满足在GEO轨道多颗航天器在轨维修的目的，因此研究面向GEO轨道在轨服务的空间多机器人系统势在必行。

为了在GEO卫星附近空间多机器人进行编队飞行、定点保持以及共位控制，必须首先能实时获得卫星的位置和姿态信息，并且不能对临星产生干扰，由于GEO卫星通常在36000km高度，空间多机器人存在导航观测信号不足的问题：①常用GNSS导航方式存在导航信号弱、地球遮挡和可见卫星少等严重问题；②其它自主导航方式：地磁场无法使用，雷达高度计和天文导航无法提供高精度导航信息，都难以作为观测信息满足导航要求，因此这就使得研究空间多机器人新观测方法显得迫切重要。

发明内容

发明目的：本发明针对观测信息不足导致导航精度较低的问题，提出一种面对地球静止轨道目标操作的空间多机器人自主导航方法，利用星敏感器自主连续观测相对方向矢量的方法，为在轨服务的空间多机器人提供高精度相对观测信息。

技术方案：一种面对地球静止轨道目标操作的空间多机器人自主导航方法，步骤如下：

(1)以GEO目标卫星为在轨服务对象，将两个空间机器人分别设为主星和子星，设计主星和子星编队飞行构型及轨道参数；

(2)根据地心惯性坐标系下卫星相对轨道动力学模型，建立自主导航系统状态模型；

(3)根据计算的主星和子星相对距离，判断子星否满足星敏感器观测距离要求，满足则进入步骤(4)，否则进入步骤(12)；