[发明专利]一种卫星的自主变轨方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种航天器自主变轨方法，适用于深空探测卫星等航天器的准确自主变轨。

背景技术

卫星自主实施变轨的方法较多。其中中低轨道对地定向卫星中变轨一般在正常的对地运行姿态下进行，变轨方法比较简单，由地面注入变轨发动机的开关机时间，星上根据时间实现发动机的开关机操作，即可实现卫星轨道控制。不涉及姿态机动和姿态调整等过多的阶段或阶段的转换，但是在深空探测卫星中，中低轨道卫星的变轨方法已经不再适用，需要解决变轨前后的姿态确定和控制等复杂程序，才能进行可靠变轨。

静止轨道卫星的定点变轨控制中多采用地面控制的方式，由地面控制卫星从巡航姿态(卫星的+X轴对日定向姿态)转为点火姿态，控制中利用红外地球敏感器和太阳敏感器的数据进行姿态确定，其轨控过程中的卫星姿态确定精度不高，影响轨控精度。该方法需要地面进行了大量的控制计算，地面操作较为复杂，而且轨控发动机的开关机操作也由地面完成，地面指令的传输链路时延等对轨控精度也会有影响。从而影响轨控窗口的唯一性(及时，准确实施轨道控制)。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提出了一种星上自主进行的姿态确定，姿态机动以及自主轨控的自主变轨方法。解决了深空探测卫星的变轨问题，保证变轨准确、可靠、自动地完成。

本发明的技术解决方案：一种卫星的自主变轨方法，其特征在于包括：

(1)恒星捕获：在卫星建立轨控点火姿态之前，预估卫星的惯性姿态，进行卫星姿态控制，利用星敏感器信息标定陀螺漂移，利用加速度计的遥测数据标定加速度计零位偏差；

(2)惯性调姿：当设置的程序时间到时，恒星捕获阶段自动转入惯性调姿阶段，用于建立卫星轨控点火姿态，实现卫星姿态机动，利用陀螺的测量数据以及恒星捕获过程中标定的陀螺漂移预估卫星惯性姿态，利用喷气控制进行卫星姿态控制；

(3)恒星定向：当设置的程序时间到时，惯性调姿阶段自动转入恒星定向阶段，对卫星建立轨控点火姿态之后进行稳态控制，利用星敏感器对卫星姿态进行滤波修正；

(4)轨控定向：当设置的程序时间到时，恒星定向阶段自动转入轨控定向阶段，进行轨控发动机开、关机控制，确定卫星的点火姿态，并进行点火期间的姿态稳定控制。

步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)中所述的设置的程序时间是指首先确定轨控发动机的开机时间，即卫星轨道控制的点火时间，从此时间开始往前推算变轨准备阶段各阶段的开始时间；根据恒星定向阶段姿态滤波修正算法的姿态修正能力，可以确定恒星定向的开始时间，恒星定向阶段的时间要保证修正算法将卫星在惯性调姿过程中由于陀螺漂移引起的姿态偏差修正到变轨要求的范围内；从恒星定向的开始时间，根据卫星惯性调姿的能力以及需要调姿的范围，倒推设置惯性调姿的开始时刻；在恒星捕获阶段，需要标定陀螺漂移和加速度计的零位偏差，至少需要1小时，根据此时间需求，即可从惯性调姿时刻开始前推恒星捕获的开始时间。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的自主变轨采用恒星捕获、惯性调姿、恒星定向和轨控定向相结合，实现了深空探测卫星的准确变轨。

(2)本发明的变轨控制采用由程序时间控制的自主控制流程，简化变轨过程中的地面操作流程，提高了变轨可靠性和自动化程度。

(3)本发明在轨控发动机点火过程中采用了基于脉宽调制(PWM)的PID和滤波校正喷气姿态控制，抑制了液体晃动和太阳帆板的挠性振动，保证了轨控的稳定性。

(4)本发明方法可靠。可广泛应用于各种类型卫星的轨道控制。特别适用于有关键点或是唯一窗口变轨要求的航天器的轨道控制。

附图说明

图1为本发明的自主变轨方法流程图；

图2为本发明基于脉宽调制(PWM)的PID和滤波校正喷气姿态控制的原理图；

图3为本发明的PID和滤波器校正环节示意图；

图4为本发明的PWM常值输入等效关系示意图；

图5为本发明轨控发动机双保险关机方法示意图。

具体实施方式

本发明的自主变轨方法包括变轨准备和变轨控制两个阶段。变轨准备阶段从恒星捕获阶段开始，星上可以按照程序时间的控制，依次进入惯性调姿和恒星定向阶段，最后进入变轨控制阶段，即轨控定向，自主完成轨控任务，无需地面干预。

本发明的具体实施方法如下：