本發(fā)明屬于微小衛(wèi)星編隊(duì)
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種基于在軌參數(shù)辨識(shí)和偏置的衛(wèi)星跟飛長(zhǎng)期攝動(dòng)補(bǔ)償方法。
背景技術(shù)：
：編隊(duì)衛(wèi)星為了實(shí)現(xiàn)航天任務(wù)，尤其是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間跟飛任務(wù)，關(guān)鍵在于使參與編隊(duì)的跟飛衛(wèi)星精確的保持相對(duì)構(gòu)型。然而跟飛衛(wèi)星在實(shí)際在軌運(yùn)行過(guò)程中受各種攝動(dòng)力及控制誤差影響，相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)呈現(xiàn)發(fā)散態(tài)勢(shì)，需要構(gòu)型維持控制才能保持其相對(duì)構(gòu)型，給長(zhǎng)期在軌工作帶來(lái)挑戰(zhàn)。為此，需要開(kāi)展衛(wèi)星跟飛的攝動(dòng)規(guī)律研究，并通過(guò)盡可能少的補(bǔ)償控制實(shí)現(xiàn)跟飛相對(duì)運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定。目前衛(wèi)星跟飛運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定控制方法，其核心思想是：利用編隊(duì)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型，根據(jù)跟飛運(yùn)動(dòng)中衛(wèi)星的當(dāng)前狀態(tài)，計(jì)算出所需的控制量。由于當(dāng)前測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差、相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型的不精確等原因，在軌工程采用的反復(fù)邊界控制方法存在控制燃耗大、控制頻率高的缺點(diǎn)，不利于編隊(duì)的長(zhǎng)期自然穩(wěn)定。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提供一種基于在軌參數(shù)辨識(shí)和偏置的衛(wèi)星跟飛長(zhǎng)期攝動(dòng)補(bǔ)償方法，可有效解決上述問(wèn)題。本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：本發(fā)明提供一種基于在軌參數(shù)辨識(shí)和偏置的衛(wèi)星跟飛長(zhǎng)期攝動(dòng)補(bǔ)償方法，包括以下步驟：步驟一：在軌辨識(shí)沿跡角相對(duì)漂移率；具體為：根據(jù)跟飛編隊(duì)衛(wèi)星一段時(shí)間內(nèi)自由飛行狀態(tài)下的沿跡角差與時(shí)間的變化關(guān)系，在軌辨識(shí)出沿跡角差相對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)，即沿跡角相對(duì)漂移率；步驟二：在給定的控制時(shí)刻下，基于步驟一得到的沿跡角相對(duì)漂移率，計(jì)算跟蹤星的軌道半長(zhǎng)軸偏置量；步驟三：給出控制時(shí)刻的跟蹤星軌道半長(zhǎng)軸，根據(jù)軌道動(dòng)力學(xué)模型，得到進(jìn)行軌道半長(zhǎng)軸偏置控制所需的跟蹤星速度增量。優(yōu)選的，步驟一具體為：通過(guò)軌道預(yù)報(bào)或者遙感，獲得一段時(shí)間內(nèi)跟飛編隊(duì)中衛(wèi)星自由飛行的軌道根數(shù)；根據(jù)軌道根數(shù)計(jì)算出沿跡角差相對(duì)時(shí)間的變化關(guān)系，利用最小二乘擬合得到沿跡角差相對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)，即在軌辨識(shí)得到沿跡角相對(duì)漂移率。優(yōu)選的，步驟一具體包括：步驟1.1，讓衛(wèi)星自由飛行一段時(shí)間[t0tf]；t0為衛(wèi)星自由飛行起始時(shí)間；tf為衛(wèi)星自由飛行結(jié)束時(shí)間；其中，在[t0tf]時(shí)間內(nèi)取k個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，分別為：t1、t2…tk；則：t＝[t1...tk]t(13)其中：t為矩陣的轉(zhuǎn)置；步驟1.2，通過(guò)軌道預(yù)報(bào)或者遙測(cè)獲得這k個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的兩星的軌道根數(shù)；將平近點(diǎn)角差與近地點(diǎn)角矩差相加，得到這k個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)沿跡角差，即δλj＝δωj+δmj(j＝1,2,3,...,k)(15)其中，δλj為tj時(shí)刻的沿跡角差，δωj為tj時(shí)刻的近地點(diǎn)角矩差，δmj為tj時(shí)刻的平近點(diǎn)角差，且有其中，分別為目標(biāo)星tj時(shí)刻的近地點(diǎn)角矩和跟蹤星tj時(shí)刻的近地點(diǎn)角矩，分別為目標(biāo)星tj時(shí)刻的平近點(diǎn)角、跟蹤星tj時(shí)刻的平近點(diǎn)角；步驟1.3，利用最小二乘擬合，得到沿跡角差相對(duì)時(shí)間變化的一次函數(shù)，即δλ(t)＝ht+δλ0(17)其中，δλ0為初始時(shí)刻兩星的沿跡角差，δλ(t)為t時(shí)刻的沿跡角差，h為沿跡角差相對(duì)于時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)；步驟1.4，沿跡角差相對(duì)于時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)h由最小二乘擬合得到，通過(guò)下式計(jì)算滿足式(6)的h便為沿跡角相對(duì)漂移率。優(yōu)選的，步驟二具體為：步驟2.1：給出控制時(shí)刻目標(biāo)衛(wèi)星的軌道半長(zhǎng)軸，由半長(zhǎng)軸偏置引起的沿跡角隨時(shí)間變化的解析表達(dá)式為：其中，δλ0為初始時(shí)刻兩星的沿跡角差，a為軌道半長(zhǎng)軸，δa為跟蹤星與目標(biāo)星的軌道半長(zhǎng)軸差，即為跟蹤星的軌道半長(zhǎng)軸偏置量；n為目標(biāo)星的軌道角速度；由于：其中：adep為目標(biāo)衛(wèi)星的軌道半長(zhǎng)軸；aref為跟蹤星的軌道半長(zhǎng)軸；μ為地球引力常數(shù)，μ＝3.986005×1014；步驟2.2：通過(guò)半長(zhǎng)軸偏置補(bǔ)償攝動(dòng)引起的沿跡角變化，即步驟2.3：將控制時(shí)間的目標(biāo)星半長(zhǎng)軸、步驟一得到的沿跡角相對(duì)漂移率h代入到式(9)，得到實(shí)現(xiàn)攝動(dòng)補(bǔ)償?shù)母櫺堑能壍腊腴L(zhǎng)軸偏置量為：優(yōu)選的，步驟三具體為：步驟3.1，圓軌道下，由速度增量引起的軌道根數(shù)改變?yōu)椋浩渲校篴為軌道半長(zhǎng)軸，i為軌道傾角，λ為沿跡角，λ＝f+ω，f為真近點(diǎn)角，ω為近地點(diǎn)角矩，q1和q2為無(wú)奇點(diǎn)軌道根數(shù)，q1＝ecosω，q2＝esinω,e為偏心率，δλ,δq1,δq2分別為λ,q1,q2的改變量，δvx,δvy,δvz分別為徑向、切向、軌道平面法向的速度沖量；步驟3.2，將式(10)代入到式(11)，跟蹤星半長(zhǎng)軸調(diào)整量所需的最小速度可表示為：其中，a′為控制時(shí)刻跟蹤星的軌道半長(zhǎng)軸，δa為步驟二得到的跟蹤星軌道半長(zhǎng)軸偏置量。本發(fā)明提供的基于在軌參數(shù)辨識(shí)和偏置的衛(wèi)星跟飛長(zhǎng)期攝動(dòng)補(bǔ)償方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)對(duì)控制時(shí)間沒(méi)有要求，提高了編隊(duì)保持控制的靈活性；(2)控制燃耗低，有效減少了衛(wèi)星編隊(duì)的燃料載荷；(3)控制一次可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的自然保持，降低了控制頻率。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明提供的基于在軌參數(shù)辨識(shí)和偏置的衛(wèi)星跟飛長(zhǎng)期攝動(dòng)補(bǔ)償方法的流程示意圖。圖2為本發(fā)明提供的速度增量方向示意圖。圖3為本發(fā)明的仿真驗(yàn)證結(jié)果圖。具體實(shí)施方式為了使本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有方法的不足，針對(duì)編隊(duì)中的相對(duì)距離保持問(wèn)題，提出了一種基于在軌參數(shù)辨識(shí)和偏置的衛(wèi)星跟飛長(zhǎng)期攝動(dòng)補(bǔ)償方法，具體的，本發(fā)明屬于微小衛(wèi)星編隊(duì)
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及編隊(duì)的跟飛距離保持的基線保持方法，特指一種以衛(wèi)星跟飛基線長(zhǎng)度保持為目的的低燃耗的基于在軌辨識(shí)的衛(wèi)星軌道跟飛長(zhǎng)期攝動(dòng)補(bǔ)償方法，主要思路為：首先通過(guò)在軌辨識(shí)得到沿跡角相對(duì)漂移率，然后利用漂移率得到半長(zhǎng)軸偏置量，最后求解控制所需的速度增量?；谠摲椒ǖ母w相對(duì)距離保持的工程在軌實(shí)驗(yàn)獲得圓滿成功，驗(yàn)證了該方法的有效性。本發(fā)明針對(duì)衛(wèi)星編隊(duì)保持的任務(wù)需求，提出了利用一段時(shí)間內(nèi)，編隊(duì)衛(wèi)星的相對(duì)漂移率計(jì)算控制量的思路，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星的跟飛距離的長(zhǎng)期保持，降低了控制燃耗和控制頻率，且對(duì)控制時(shí)間沒(méi)有要求，提高了衛(wèi)星編隊(duì)的穩(wěn)定性的靈活性。本發(fā)明基于該設(shè)計(jì)思路，建立了衛(wèi)星在攝動(dòng)作用下的相對(duì)運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型；得到了相對(duì)距離漂移率相對(duì)軌道根數(shù)偏差的解析表達(dá)式；分析了半長(zhǎng)軸、偏心率、軌道傾角偏差對(duì)相對(duì)漂移率的影響；最終得到了半長(zhǎng)軸偏置的攝動(dòng)補(bǔ)償方法的控制速度增量。具體的，參考圖1和圖2，本發(fā)明提供的基于在軌參數(shù)辨識(shí)和偏置的衛(wèi)星跟飛長(zhǎng)期攝動(dòng)補(bǔ)償方法，包括以下步驟：步驟一：在軌辨識(shí)沿跡角相對(duì)漂移率；具體為：根據(jù)跟飛編隊(duì)衛(wèi)星一段時(shí)間內(nèi)自由飛行狀態(tài)下的沿跡角差與時(shí)間的變化關(guān)系，在軌辨識(shí)出沿跡角差相對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)，即沿跡角相對(duì)漂移率；本步驟具體為：通過(guò)軌道預(yù)報(bào)或者遙感，獲得一段時(shí)間內(nèi)跟飛編隊(duì)中衛(wèi)星自由飛行的軌道根數(shù)；根據(jù)軌道根數(shù)計(jì)算出沿跡角差相對(duì)時(shí)間的變化關(guān)系，利用最小二乘擬合得到沿跡角差相對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)，即在軌辨識(shí)得到沿跡角相對(duì)漂移率。本步驟詳細(xì)步驟為：步驟1.1，讓衛(wèi)星自由飛行一段時(shí)間[t0tf]；t0為衛(wèi)星自由飛行起始時(shí)間；tf為衛(wèi)星自由飛行結(jié)束時(shí)間；其中，在[t0tf]時(shí)間內(nèi)取k個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，分別為：t1、t2…tk；則：t＝[t1...tk]t(25)其中：t為矩陣的轉(zhuǎn)置；步驟1.2，通過(guò)軌道預(yù)報(bào)或者遙測(cè)獲得這k個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的兩星的軌道根數(shù)；將平近點(diǎn)角差與近地點(diǎn)角矩差相加，得到這k個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)沿跡角差，即δλj＝δωj+δmj(j＝1,2,3,...,k)(27)其中，δλj為tj時(shí)刻的沿跡角差，δωj為tj時(shí)刻的近地點(diǎn)角矩差，δmj為tj時(shí)刻的平近點(diǎn)角差，且有其中，分別為目標(biāo)星tj時(shí)刻的近地點(diǎn)角矩和跟蹤星tj時(shí)刻的近地點(diǎn)角矩，分別為目標(biāo)星tj時(shí)刻的平近點(diǎn)角、跟蹤星tj時(shí)刻的平近點(diǎn)角；步驟1.3，利用最小二乘擬合，得到沿跡角差相對(duì)時(shí)間變化的一次函數(shù)，即δλ(t)＝ht+δλ0(29)其中，δλ0為初始時(shí)刻兩星的沿跡角差，δλ(t)為t時(shí)刻的沿跡角差，h為沿跡角差相對(duì)于時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)；步驟1.4，沿跡角差相對(duì)于時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)h由最小二乘擬合得到，通過(guò)下式計(jì)算滿足式(6)的h便為沿跡角相對(duì)漂移率。步驟二：在給定的控制時(shí)刻下，基于步驟一得到的沿跡角相對(duì)漂移率，計(jì)算跟蹤星的軌道半長(zhǎng)軸偏置量；本步驟具體步驟如下：步驟2.1：給出控制時(shí)刻目標(biāo)衛(wèi)星的軌道半長(zhǎng)軸，由半長(zhǎng)軸偏置引起的沿跡角隨時(shí)間變化的解析表達(dá)式為：其中，δλ0為初始時(shí)刻兩星的沿跡角差，a為軌道半長(zhǎng)軸，δa為跟蹤星與目標(biāo)星的軌道半長(zhǎng)軸差，即為跟蹤星的軌道半長(zhǎng)軸偏置量；n為目標(biāo)星的軌道角速度；由于：其中：adep為目標(biāo)衛(wèi)星的軌道半長(zhǎng)軸；aref為跟蹤星的軌道半長(zhǎng)軸；μ為地球引力常數(shù)，μ＝3.986005×1014；步驟2.2：通過(guò)半長(zhǎng)軸偏置補(bǔ)償攝動(dòng)引起的沿跡角變化，即步驟2.3：將控制時(shí)間的目標(biāo)星半長(zhǎng)軸、步驟一得到的沿跡角相對(duì)漂移率h代入到式(9)，得到實(shí)現(xiàn)攝動(dòng)補(bǔ)償?shù)母櫺堑能壍腊腴L(zhǎng)軸偏置量為：步驟三：給出控制時(shí)刻的跟蹤星軌道半長(zhǎng)軸，根據(jù)軌道動(dòng)力學(xué)模型，得到進(jìn)行軌道半長(zhǎng)軸偏置控制所需的跟蹤星速度增量。本步驟具體為：步驟3.1，圓軌道下，由速度增量引起的軌道根數(shù)改變?yōu)椋浩渲校篴為軌道半長(zhǎng)軸，i為軌道傾角，λ為沿跡角，λ＝f+ω，f為真近點(diǎn)角，ω為近地點(diǎn)角矩，q1和q2為無(wú)奇點(diǎn)軌道根數(shù)，q1＝ecosω，q2＝esinω,e為偏心率，δλ,δq1,δq2分別為λ,q1,q2的改變量，δvx,δvy,δvz分別為徑向、切向、軌道平面法向的速度沖量；步驟3.2，將式(10)代入到式(11)，跟蹤星半長(zhǎng)軸調(diào)整量所需的最小速度可表示為：其中，a′為控制時(shí)刻跟蹤星的軌道半長(zhǎng)軸，δa為步驟二得到的跟蹤星軌道半長(zhǎng)軸偏置量。下面介紹本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例：設(shè)置初始條件如表1。表1目標(biāo)星及跟蹤星的初始軌道參數(shù)aeiωωm0目標(biāo)星瞬根6961.181km0.00167997.622°262.154°265.810°323.848°跟蹤星瞬根6961.086km0.00172697.622°262.188°263.930°325.152°其中，a為軌道半長(zhǎng)軸，e為偏心率，i為軌道傾角，ω為升交點(diǎn)赤經(jīng)，m0為初始時(shí)刻的平近點(diǎn)角。將初始條件輸入到stk，利用stk進(jìn)行高精度仿真，步驟如下：步驟一：給出在軌辨識(shí)時(shí)間段[t0tf]為[0,0.3]天，根據(jù)stk數(shù)據(jù)得到沿跡角相對(duì)漂移率h為h＝6.6008×10-8(rad/s)(37)步驟二：給出控制時(shí)刻為0.5天，此時(shí)目標(biāo)星的軌道半長(zhǎng)軸為a＝6945.706(km)(38)將h和a代入到式(10)中，計(jì)算得到實(shí)現(xiàn)攝動(dòng)補(bǔ)償?shù)母櫺堑能壍腊腴L(zhǎng)軸偏置量為δa＝280.238203(m)(39)步驟三：由仿真數(shù)據(jù)得到控制時(shí)刻跟蹤星的軌道半長(zhǎng)軸為a′＝6968.158(km)(40)將步驟二得到的跟蹤星的軌道半長(zhǎng)軸偏置量及控制時(shí)刻跟蹤星的軌道半長(zhǎng)軸代入到式(12)中，得到控制的跟蹤星半長(zhǎng)軸調(diào)整量所需的速度增量為δv＝0.152086(m/s)(41)速度方向?yàn)楦櫺擒壍狼邢颉⒂?jì)算得到的速度增量利用stk進(jìn)行仿真，得到控制后的跟飛距離變化如圖3所示。其中，線1為不施加控制的跟飛距離變化，線2為利用該方法控制的跟飛距離變化。仿真結(jié)果表明，一次基線保持控制的速度增量約為0.15m/s，穩(wěn)定跟飛時(shí)間可達(dá)2天以上。綜上所示，本發(fā)明提出的基于在軌辨識(shí)的半長(zhǎng)軸偏置的攝動(dòng)補(bǔ)償方法在衛(wèi)星編隊(duì)中具有較高的應(yīng)用價(jià)值，工程上可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星軌道跟飛長(zhǎng)期攝動(dòng)補(bǔ)償。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：(1)對(duì)控制時(shí)間沒(méi)有約束要求，提高了編隊(duì)保持控制的靈活性；(2)控制燃耗低，有效減少了衛(wèi)星編隊(duì)運(yùn)行過(guò)程的燃料消耗，具有較高的應(yīng)用價(jià)值；(3)控制一次可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的自然保持，通常情況下，控制一次可實(shí)現(xiàn)至少兩天的基線自然穩(wěn)定，降低了控制頻率。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視本發(fā)明的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁(yè)12