一种编队卫星相对轨道变化估计方法、估计装置与流程

1.本发明涉及一种编队卫星相对轨道变化估计方法、估计装置，属于航天器控制技术领域。

背景技术：

2.低低跟踪重力测量卫星在任务周期内每隔15～30天产生一个地球引力场的新模型。任务要求两颗卫星相距170～270km，以一前一后的队形编队飞行。地球引力场的变化表现为对两颗共轨卫星轨道摄动之差。传统方法需要依赖高精度的高频星间测量链路测量两颗卫星之间距离的变化，利用三轴加速度计的精确测量值经处理后用来消除非引力分量对星间距离变化的贡献，高精度gnss用于精确确定卫星轨道，从而测量引力参数的空间分布，并估计地球引力场模型。在某些卫星应用场景中，两星之间不存在实时星间通讯手段，因此进行双星星间指向控制时，无法通过测量直接获取双星相对距离信息，这对相对距离估计提出了新的需求。

技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种编队卫星相对轨道变化估计方法、估计装置，不依赖星间测量链路的高精度相对轨道根数估计，通过地面上注目标星轨道根数参数进行实时外推计算，并提出基于相对轨道运动学的递推滤波算法对长周期漂移项进行在线估计，在星间测量不可行的情况下解决了相对轨道变化的高精度估计难题，实现了不依赖星间测量链路的高精度相对轨道根数估计。
4.本发明目的通过以下技术方案予以实现：
5.本发明实施例提供了一种编队卫星相对轨道变化估计方法，包括：
6.获取本周期地面注入的有效的本星轨道参数和目标星轨道参数；
7.采用滤波算法对相对平轨道角速度、相对轨道偏心率分量、相对轨道偏心率变化率进行估计；
8.计算相对星间距、相对半长轴、相对偏心率变化量；
9.计算相对半长轴目标量和漂移速度目标量。
10.优选的，首先判断本周期是否接收到地面注入的本星轨道参数和目标星轨道参数，若接收到则进一步确认是否有效。
11.优选的，所述地面注入的有效的本星轨道参数和目标星轨道参数至少包括：相对轨道的参考时刻及其变化量、双星相对星间距及其变化量、相对轨道偏心率分量、轨道注入的相对轨道半长轴、双星轨道参考时刻的均值。
12.优选的，所述采用滤波算法对相对平轨道角速度、相对轨道偏心率分量、相对轨道偏心率变化率进行估计，迭代过程为：
13.[0014][0015]exrm
＝e*cos(ω)-e
t
*cos(ω
t
)
[0016]eyrm
＝e*sin(ω)-e
t
*sin(ω
t
)
[0017]exdotrm
＝k
fedot
(e
xrm-e
xrm0
)/dt
rm
+(1-k
fedot
)e
xdotrm0
[0018]eydotrm
＝k
fedot
(e
yrm-e
yrm0
)/dt
rm
+(1-k
fedot
)e
ydotrm0
[0019][0020][0021][0022][0023]
式中，k
fedot
为滤波增益，e为偏心率，ω为轨道近地点幅角，v
rm
为漂移速度，v
dotrm
为漂移速度变化率，e
xrm
与e
yrm
为相对轨道偏心率的分量，e
xdotrm
与e
ydotrm
为其变化量，为半长轴平根，为轨道角速度，re为地球半径，μ＝398600km3/s2为地心引力常数，下标0表示上一拍的状态变量，下标t表示目标星的状态变量；t
rm0
为相对轨道的参考时刻，dt
rm0
为t
rm0
的变化量，dr
rm0
为双星相对星间距，dr
rm
为dr
rm0
的变化量，e
xrm
、e
yrm
均为相对轨道偏心率分量，δa
krm
为轨道注入的相对轨道半长轴，t
midrm
为双星轨道参考时刻的均值。
[0024]
优选的，所述计算相对星间距r
rm
、相对半长轴δa
rm
、相对偏心率变化量δe
xrm
和δe
yrm
的方法为：
[0025]
δt
rm
＝t-t
rm0
[0026][0027][0028]
δe
xrm
＝e
xrm
+e
xdotrm
δt
rm
[0029]
δe
yrm
＝e
yrm
+e
ydotrm
δt
rm
。
[0030]
优选的，所述计算相对半长轴目标量δa
trm
和漂移速度目标量v
trm
的方法为：
[0031][0032][0033]
其中，δl
trm
为目标星间距变化量。
[0034]
本发明实施例提供一种编队卫星相对轨道变化估计装置，包括：
[0035]
获取模块，用于接收本周期地面注入的有效的本星轨道参数和目标星轨道参数；
[0036]
估计模块，采用滤波算法对相对平轨道角速度、相对轨道偏心率分量、相对轨道偏心率变化率进行估计；
[0037]
第一计算模块，计算相对星间距、相对半长轴、相对偏心率变化量；
[0038]
第二计算模块，计算相对半长轴目标量和漂移速度目标量。
[0039]
优选的，所述获取模块首先判断本周期是否接收到地面注入的本星轨道参数和目标星轨道参数，若接收到则进一步确认是否有效。
[0040]
优选的，所述地面注入的有效的本星轨道参数和目标星轨道参数至少包括：相对轨道的参考时刻及其变化量、双星相对星间距及其变化量、相对轨道偏心率分量、轨道注入的相对轨道半长轴、双星轨道参考时刻的均值。
[0041]
本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令在由处理器加载并运行时，使所述处理器执行上述的编队卫星相对轨道变化估计方法。
[0042]
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
[0043]
(1)本发明提出的一种编队卫星相对轨道变化估计方法，是一种新的针对编队卫星相对轨道位置变化的求解方法，突破了高精度重力测量等卫星需要依赖星间链路测量两颗卫星之间距离变化的局限。
[0044]
(2)本发明充分挖掘低低跟踪卫星的相对轨道运动学特征，通过基于十九根数的相对轨道外推结合新型滤波设计，巧妙地解决了编队双星的相对距离估计问题，在不依赖星间距离测量的情况下实现了星间距离的高精度估计，方法简单可行。
[0045]
(3)本发明针对低低跟踪卫星编队过程的相对距离估计问题提出了一种新的解决方案，无需增加额外数据输入，计算简单，使用该算法可能够很好地保证双星相对位置预报精度的需求，该算法具有很强的工程实用性。
附图说明
[0046]
图1为本发明控制流程图。
[0047]
图2为双星相对位置预报误差曲线。
[0048]
图3为星间距和相对半长轴关系曲线。
具体实施方式
[0049]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
[0050]
如图1所示，本发明一种编队卫星相对轨道变化估计方法，包括如下步骤：
[0051]
步骤一、轨道参数初始化，前提为本周期接收到地面注入的本星轨道参数和目标星轨道参数并确认有效；
[0052]
步骤二、基于滤波估计的相对平轨道角速度、相对轨道偏心率向量及相对轨道偏心率变化率计算；
[0053]
步骤三、相对星间距、相对半长轴和相对偏心率变化量计算；
[0054]
步骤四、相对半长轴目标量和漂移速度目标量计算。
[0055]
所述步骤一的具体过程为：
[0056]
判断本周期是否接收到地面注入的本星轨道参数和目标星轨道参数，若接收到则进一步确认是否有效，在有效的情况下对轨道参数进行初始化赋值，相关参数包括：相对轨道的参考时刻t
rm0
及其变化量dt
rm0
，双星相对星间距dr
rm0
及其变化量dr
rm
，相对轨道偏心率
分量e
xrm
、e
yrm
，轨道注入的相对轨道半长轴δa
krm
，双星轨道参考时刻的均值t
midrm
。
[0057]
所述步骤二中，使用滤波算法对相对平轨道角速度、相对轨道偏心率分量及相对轨道偏心率变化率进行估计，即
[0058][0059][0060]exrm
＝e*cos(ω)-e
t
*cos(ω
t
)
[0061]eyrm
＝e*sin(ω)-e
t
*sin(ω
t
)
[0062]exdotrm
＝k
fedot
(e
xrm-e
xrm0
)/dt
rm
+(1-k
fedot
)e
xdotrm
[0063]eydotrm
＝k
fedot
(e
yrm-e
yrm0
)/dt
rm
+(1-k
fedot
)e
ydotrm
[0064][0065][0066][0067][0068]
式中，k
fedot
为滤波增益，e为偏心率，ω为轨道近地点幅角，v
rm
为漂移速度，v
dotrm
为漂移速度变化率，e
xrm
与e
yrm
为相对轨道偏心率的分量，e
xdotrm
与e
ydotrm
为其变化量，a为半长轴平根，n为轨道角速度，re为地球半径，μ＝398600km3/s2为地心引力常数，()0为上一拍的状态变量，()
t
为目标星的状态变量。
[0069]
所述步骤三中，在步骤二变量计算的基础上，对相对星间距r
rm
、相对半长轴δa
rm
和相对偏心率变化量δe
xrm
、δe
yrm
进行计算，具体算法如下
[0070]
记δt
rm
＝t-t
rm0
[0071][0072][0073]
δe
xrm
＝e
xrm
+e
xdotrm
δt
rm
[0074]
δe
yrm
＝e
yrm
+e
ydotrm
δt
rm
[0075]
所述步骤四中，相对半长轴目标量δa
trm
和漂移速度目标量v
trm
计算，即
[0076][0077][0078]
其中，δl
trm
为目标星间距变化量，可注入修改。
[0079]
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
[0080]
实施例1：
[0081]
以某卫星为例，对本发明提出的相对轨道变化估计算法进行数学仿真分析，卫星运行在500km的太阳同步圆轨道，初始时设置两星轨道参数见表1。
[0082]
表1
[0083][0084][0085]
仿真中a星在前，星间距269km，且a星半长轴略低，两星继续远离。进行200天仿真，仿真结果如图2～图3，其中，图2为相对半长轴曲线，x＝165.6时的突变为星间距维持轨控导致，图3为星间距和相对半长轴关系曲线；相对半长轴差的变化并不是绝对匀速的，这与大气密度变化有关。
[0086]
实施例2：
[0087]
一种编队卫星相对轨道变化估计方法，包括如下步骤：
[0088]
获取本周期地面注入的有效的本星轨道参数和目标星轨道参数；
[0089]
采用滤波算法对相对平轨道角速度、相对轨道偏心率分量、相对轨道偏心率变化率进行估计；
[0090]
计算相对星间距、相对半长轴、相对偏心率变化量；
[0091]
计算相对半长轴目标量和漂移速度目标量。
[0092]
一种编队卫星相对轨道变化估计装置，包括：
[0093]
获取模块，用于接收本周期地面注入的有效的本星轨道参数和目标星轨道参数；
[0094]
估计模块，采用滤波算法对相对平轨道角速度、相对轨道偏心率分量、相对轨道偏心率变化率进行估计；
[0095]
第一计算模块，计算相对星间距、相对半长轴、相对偏心率变化量；
[0096]
第二计算模块，计算相对半长轴目标量和漂移速度目标量。
[0097]
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令在由处理器加载并运行时，使所述处理器执行上述编队卫星相对轨道变化估计方法。
[0098]
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
[0099]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

技术特征：

1.一种编队卫星相对轨道变化估计方法，其特征在于，包括：获取本周期地面注入的有效的本星轨道参数和目标星轨道参数；采用滤波算法对相对平轨道角速度、相对轨道偏心率分量、相对轨道偏心率变化率进行估计；计算相对星间距、相对半长轴、相对偏心率变化量；计算相对半长轴目标量和漂移速度目标量。2.根据权利要求1所述的估计方法，其特征在于，首先判断本周期是否接收到地面注入的本星轨道参数和目标星轨道参数，若接收到则进一步确认是否有效。3.根据权利要求1所述的估计方法，其特征在于，所述地面注入的有效的本星轨道参数和目标星轨道参数至少包括：相对轨道的参考时刻及其变化量、双星相对星间距及其变化量、相对轨道偏心率分量、轨道注入的相对轨道半长轴、双星轨道参考时刻的均值。4.根据权利要求1所述的估计方法，其特征在于，所述采用滤波算法对相对平轨道角速度、相对轨道偏心率分量、相对轨道偏心率变化率进行估计，迭代过程为：度、相对轨道偏心率分量、相对轨道偏心率变化率进行估计，迭代过程为：e
xrm
＝e*cos(ω)-e
t
*cos(ω
t
)e
yrm
＝e*sin(ω)-e
t
*sin(ω
t
)e
xdotrm
＝k
fedot
(e
xrm-e
xrm0
)/dt
rm
+(1-k
fedot
)e
xdotrm0
e
ydotrm
＝k
fedot
(e
yrm-e
yrm0
)/dt
rm
+(1-k
fedot
)e
ydotrm0ydotrm0ydotrm0ydotrm0
式中，k
fedot
为滤波增益，e为偏心率，ω为轨道近地点幅角，v
rm
为漂移速度，v
dotrm
为漂移速度变化率，e
xrm
与e
yrm
为相对轨道偏心率的分量，e
xdotrm
与e
ydotrm
为其变化量，为半长轴平根，为轨道角速度，re为地球半径，μ＝398600km3/s2为地心引力常数，下标0表示上一拍的状态变量，下标t表示目标星的状态变量；t
rm0
为相对轨道的参考时刻，dt
rm0
为t
rm0
的变化量，dr
rm0
为双星相对星间距，dr
rm
为dr
rm0
的变化量，e
xrm
、e
yrm
均为相对轨道偏心率分量，δa
krm
为轨道注入的相对轨道半长轴，t
midrm
为双星轨道参考时刻的均值。5.根据权利要求4所述的估计方法，其特征在于，所述计算相对星间距r
rm
、相对半长轴δa
rm
、相对偏心率变化量δe
xrm
和δe
yrm
的方法为：δt
rm
＝t-t
rm0
δe
xrm
＝e
xrm
+e
xdotrm
δt
rm
δe
yrm
＝e
yrm
+e
ydotrm
δt
rm
。6.根据权利要求5所述的估计方法，其特征在于，所述计算相对半长轴目标量δa
trm
和漂移速度目标量v
trm
的方法为：的方法为：其中，δl
trm
为目标星间距变化量。7.一种编队卫星相对轨道变化估计装置，其特征在于，包括：获取模块，用于接收本周期地面注入的有效的本星轨道参数和目标星轨道参数；估计模块，采用滤波算法对相对平轨道角速度、相对轨道偏心率分量、相对轨道偏心率变化率进行估计；第一计算模块，计算相对星间距、相对半长轴、相对偏心率变化量；第二计算模块，计算相对半长轴目标量和漂移速度目标量。8.根据权利要求7所述的估计装置，其特征在于，所说获取模块首先判断本周期是否接收到地面注入的本星轨道参数和目标星轨道参数，若接收到则进一步确认是否有效。9.根据权利要求7所述的估计装置，其特征在于，所述地面注入的有效的本星轨道参数和目标星轨道参数至少包括：相对轨道的参考时刻及其变化量、双星相对星间距及其变化量、相对轨道偏心率分量、轨道注入的相对轨道半长轴、双星轨道参考时刻的均值。10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令在由处理器加载并运行时，使所述处理器执行如权利要求1至6中任一项所述的方法。

技术总结

一种编队卫星相对轨道变化估计方法、估计装置，不依赖星间测量链路的高精度相对轨道根数估计，通过地面上注目标星轨道根数参数进行实时外推计算，并提出基于相对轨道运动学的递推滤波算法对长周期漂移项进行在线估计，在星间测量不可行的情况下解决了相对轨道变化的高精度估计难题，实现了不依赖星间测量链路的高精度相对轨道根数估计。高精度相对轨道根数估计。高精度相对轨道根数估计。