一种针对多个编队卫星周期性重访的轨道设计与控制方法技术

一种针对多个编队卫星周期性重访的轨道设计与控制方法，本发明专利技术涉及针对多个编队卫星周期性重访的轨道设计与控制方法。本发明专利技术的目的是为了解决现有航天器编队飞行任务计算量大，控制准确率低的问题。过程为：一、给定初始时刻主星的轨道元素；二、设计被观测卫星轨道；三、针对轨道控制问题，执行四至七；针对轨道设计问题，执行八至十一；四、待求解变量为Δt、t1、t2及V

【技术实现步骤摘要】
为中间变量，q1＝ecosω,q2＝esinω，e为瞬时离心率，ω为瞬时近地点幅角；
[0011]给定任务初始时刻t0主星的初始轨道根数。
[0012]步骤二、设计被观测卫星轨道S1、S2、S3；
[0013]步骤三、针对轨道控制问题，执行步骤四至步骤七；针对轨道设计问题，执行步骤八至步骤十一；
[0014]步骤四、给出观测卫星的初始相对位置R
p0
与速度V
p0
，待求解变量为Δt、t1、t2及相对速度V
p2
；
[0015]其中，Δt为观测卫星的脉冲时刻，t1为观测卫星第一次飞越1号被观测卫星的时刻，t2为观测卫星第一次飞越2号被观测卫星的时刻；
[0016]步骤五、消去V
p2
，将方程组降至3维；
[0017]步骤六、根据重访约束，分别建立t1、t2与Δt的函数关系，使方程组降至1维；
[0018]步骤七、在给定时间区间采用一维数值搜索算法搜索Δt实现控制问题求解；
[0019]步骤八、针对轨道设计问题，待求解变量为t1、t2、t3及面内相对速度V
1p
；
[0020]其中，t3为观测卫星第一次飞越3号被观测卫星的时刻；
[0021]步骤九、消去V
1p
，将方程组降至3维；
[0022]步骤十、根据重访约束，分别建立t2、t3与t1的函数关系，使方程组降至1维；
[0023]步骤十一、在给定时间区间内采用一维数值搜索算法搜索t1实现轨道设计问题求解。
[0024]本专利技术的有益效果为：
[0025]考虑到实际任务中的应用需求，本专利技术提出了一种基于Gim
‑
Alfriend(金—阿尔福德)方程和Sengupta
‑
Vadali
‑
Alfriend(森古普塔
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瓦达利
‑
阿尔福德)方程的访问多个特定相对轨道的航天器轨道控制与设计方法。本专利技术研究的所有轨道均在同一个平面内。对于空间中以任意轨道运行的主星以及多个与主星轨道平均半长轴相同的相对轨道，将问题分为轨道控制与轨道设计两种情况，分别进行分析解决。其中，对于轨道控制问题，观测卫星可以监视两个被观测卫星并实现周期性重访；对于轨道设计问题，观测卫星可以监视三个被观测卫星并实现周期性重访。
[0026]本专利技术的目的是在航天器编队飞行任务中对多个编队卫星实现稳定监视；本专利技术提出了一种访问多个特定相对轨道的轨道控制与设计方法。在本专利技术中，只需要给定初始时刻目标航天器的轨道根数，和期望的三个待访问特定相对轨道，便可实现观测卫星的共面轨道控制与设计。无论是轨道控制问题还是轨道设计问题，都能够实现对被观测卫星的周期性重访。在本专利技术之前，尚未有相关方法及专利技术对此技术问题进行研究。本专利技术解决现有航天器编队飞行任务中将相对运动问题转化为绝对运动问题并通过绝对轨道的相关理论得到访问特定航天器的相对运动轨迹的过程中存在许多困难，导致的计算量大，控制准确率低的问题。
附图说明
[0027]图1为本专利技术实施例所用方法的流程图；
[0028]图2为本专利技术实施例中LVLH坐标系的示意图；
[0029]图3a为轨道控制问题中观测卫星相对被观测卫星1的运动轨迹图；
[0030]图3b为轨道控制问题中观测卫星相对被观测卫星2的运动轨迹图；
[0031]图4为轨道设计问题中观测卫星相对被观测卫星1的运动轨迹图；
[0032]图5为轨道设计问题中观测卫星相对被观测卫星2的运动轨迹图；
[0033]图6为轨道设计问题中观测卫星相对被观测卫星3的运动轨迹图。
具体实施方式
[0034]具体实施方式一：本实施方式一种针对多个编队卫星周期性重访的轨道设计与控制方法具体过程为：
[0035]步骤一、给定初始时刻主星的轨道元素；
[0036]具体过程为：
[0037]利用非奇异元素E＝(a,θ,i,q1,q2,Ω)
T
描述任务初始时刻t0主星的轨道元素；
[0038]其中θ为纬度幅角，a为瞬时半长轴，Ω为瞬时升交点赤经，i为瞬时轨道倾角，q1、q2为中间变量，q1＝ecosω,q2＝esinω，e为瞬时离心率，ω为瞬时近地点幅角；
[0039]给定任务初始时刻t0主星的初始轨道根数。
[0040]步骤二、设计被观测卫星轨道S1、S2、S3；
[0041]步骤三、针对轨道控制问题，执行步骤四至步骤七；针对轨道设计问题，执行步骤八至步骤十一；
[0042]步骤四、给出观测卫星的初始相对位置R
p0
与速度V
p0
，待求解变量为Δt、t1、t2及相对速度V
p2
；
[0043]其中，Δt为观测卫星的脉冲时刻，t1为观测卫星第一次飞越1号被观测卫星的时刻，t2为观测卫星第一次飞越2号被观测卫星的时刻；
[0044]步骤五、联立方程组消去V
p2
，将方程组降至3维；
[0045]步骤六、根据重访约束，分别建立t1、t2与Δt的函数关系，使方程组降至1维；
[0046]步骤七、在给定时间区间采用分段黄金分割+割线法等一维数值搜索算法搜索Δt实现控制问题求解；
[0047]步骤八、针对轨道设计问题，待求解变量为t1、t2、t3及面内相对速度V
1p
；
[0048]其中，t3为观测卫星第一次飞越3号被观测卫星的时刻；
[0049]步骤九、联立式(11)、(12)消去V
1p
，将方程组降至3维；
[0050]步骤十、根据重访约束式(13)，分别建立t2、t3与t1的函数关系，使方程组降至1维；
[0051]步骤十一、在给定时间区间内采用分段黄金分割+割线法等一维数值搜索算法搜索t1实现轨道设计问题求解。
[0052]具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述步骤二中设计被观测卫星轨道S1、S2、S3；具体过程为：
[0053]由TH方程可知，对于二体问题，面内的相对运动与面外的相对运动是解耦的。在考虑J2摄动力的作用下，该结论仍然对共面相对轨道的设计有效。因此，只需保证初始时刻被观测卫星的位置、速度矢量没有Z方向分量就能使得被观测卫星的轨道在长时间内近似地与参考轨道保持共面。
[0054]综合以上分析，被观测卫星轨道需要满足的约束方程为：
[0055][0056]式中：为被观测卫星在初始时刻相对主星的位置矢量在LVLH系下的Z轴分量，为被观测卫星在初始时刻相对主星的速度矢量在LVLH系下的Z轴分量，为在初始时刻被观测卫星的轨道相对主星轨道的平均半长轴；
[0057]LVLH系原点位于主星质心，X轴沿径向向外，Y轴在轨道平面内垂直于X轴且指向从星速度方向，Z轴垂直轨道平面且指向轨道角动量方向，如图2所示；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种针对多个编队卫星周期性重访的轨道设计与控制方法，其特征在于：所述方法具体过程为：步骤一、给定初始时刻主星的轨道元素；具体过程为：利用非奇异元素E＝(a,θ,i,q1,q2,Ω)
T
描述任务初始时刻t0主星的轨道元素；其中θ为纬度幅角，a为瞬时半长轴，Ω为瞬时升交点赤经，i为瞬时轨道倾角，q1、q2为中间变量，q1＝ecosω,q2＝esinω，e为瞬时离心率，ω为瞬时近地点幅角；给定任务初始时刻t0主星的初始轨道根数。步骤二、设计被观测卫星轨道S1、S2、S3；步骤三、针对轨道控制问题，执行步骤四至步骤七；针对轨道设计问题，执行步骤八至步骤十一；步骤四、给出观测卫星的初始相对位置R
p0
与速度V
p0
，待求解变量为Δt、t1、t2及相对速度V
p2
；其中，Δt为观测卫星的脉冲时刻，t1为观测卫星第一次飞越1号被观测卫星的时刻，t2为观测卫星第一次飞越2号被观测卫星的时刻；步骤五、消去V
p2
，将方程组降至3维；步骤六、根据重访约束，分别建立t1、t2与Δt的函数关系，使方程组降至1维；步骤七、在给定时间区间采用一维数值搜索算法搜索Δt实现控制问题求解；步骤八、针对轨道设计问题，待求解变量为t1、t2、t3及面内相对速度V
1p
；其中，t3为观测卫星第一次飞越3号被观测卫星的时刻；步骤九、消去V
1p
，将方程组降至3维；步骤十、根据重访约束，分别建立t2、t3与t1的函数关系，使方程组降至1维；步骤十一、在给定时间区间内采用一维数值搜索算法搜索t1实现轨道设计问题求解。2.根据权利要求1所述的一种针对多个编队卫星周期性重访的轨道设计与控制方法，其特征在于：所述步骤二中设计被观测卫星轨道S1、S2、S3；具体过程为：被观测卫星轨道需要满足的约束方程为：式中：为被观测卫星在初始时刻相对主星的位置矢量在LVLH系下的Z轴分量，为被观测卫星在初始时刻相对主星的速度矢量在LVLH系下的Z轴分量，为在初始时刻被观测卫星的轨道相对主星轨道的平均半长轴；设计指标函数如式(2)所示；式中：为指标函数，为相对平均纬度幅角，为相对平均升交点赤经；
(2)利用网格法求式(2)的值，从中筛选出小于10
‑2的U1的值对应的作为方程组(1)的迭代初值，迭代求解方程组(1)得到的值，即可设计出与主星S
c
共面且平均半长轴相同的被观测轨道S1、S2、S3。3.根据权利要求2所述的一种针对多个编队卫星周期性重访的轨道设计与控制方法，其特征在于：所述步骤四中给出观测卫星的初始相对位置R
p0
与速度V
p0
，待求解变量为Δt、t1、t2及相对速度V
p2
；具体过程为：根据轨道控制问题建立如式(3)(4)(4)所示的非线性方程组：根据轨道控制问题建立如式(3)(4)(4)所示的非线性方程组：其中，为一号被观测卫星在t＝t1时刻相对主星的位置矢量，为二号被观测卫星在t＝t2时刻相对主星的位置矢量，为观测卫星在t＝t1时刻相对主星的位置矢量，为观测卫星在t＝t2时刻相对主星的位置矢量，为在t＝Δt时刻观测卫星轨道相对主星轨道的平均半长轴；Δt为观测卫星的脉冲时刻，t1为观测卫星第一次飞越1号被观测卫星的时刻，t2为观测卫星第一次飞越2号被观测卫星的时刻，t为时刻；式(3)表示交会约束条件(4维)，式(4)表示周期性重访约束条件(1维)；由于观测卫星中途有一次脉冲变轨，表达和需要用到中间变量R
p,Δt
：其中，Δt为观测卫星的脉冲时刻，t1为观测卫星第一次飞越1号被观测卫星的时刻，t2为观测卫星第一次飞越2号被观测卫星的时刻，V
p2
为观测卫星在t＝Δt时刻脉冲后相对主星的速度矢量，R
p,Δt
为观测卫星在t＝Δt时刻的相对位置，Φ
rr
(t1,Δt),Φ
rv
(t1,Δt)为从t＝Δt时刻到t＝t1...

【专利技术属性】
技术研发人员：周斯腾，张刚，夏存言，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：