[发明专利]一种基于虚拟分布式与混合动力学的相对轨道确定方法

说明书

技术领域

本发明属于空间自主相对导航领域，涉及对空间目标自主交会的相对轨道确定方法，具体为一种基于虚拟分布式与混合动力学的相对轨道确定方法。

背景技术

近二十年来，针对地球轨道资源日趋紧张、故障卫星在轨修复以及轨道碎片清理等问题，各国积极展开了利用空间机器人即利用在轨服务航天器或追踪星对故障卫星和轨道碎片等空间非合作目标进行监视、接近、捕获以及离轨等在轨服务技术研究。

相对导航是在轨航天器服务的关键技术，CCD相机因其为无源测量，并且具有测量范围广精度高，设备体积小、质量轻和功耗低等优点，是未来对空间非合作目标进行在轨服务的理想相对导航敏感器。但是在中远距离交会时，由于目标非合作，即无通信和无合作标志器等，CCD相机能够获得的测量信息不完备，只有相对视线角信息，没有直接的相对距离信息，这就导致仅用CCD相机进行相对测量的相对定轨系统可观测性差，相对导航实现难度大。目前国内外解决该问题实现仅测角相对定轨的途径都是通过间接地估计出相对距离信息辅助定轨，具体主要有两大类方案：1、轨道机动方案；2、双星编队方案。对于轨道机动方案，其实质是通过追踪星进行特殊轨道机动来构造相对距离信息，该方案在实际中可能会对追踪星的安全性和燃料消耗产生重要影响。对于双星编队方案，其实质是通过双星的测量基线来构造相对距离信息，该方案需要两颗卫星或者需要追踪星需要具备释放伴飞小卫星并且协同测量的能力，这在实际中不易实现且代价较大，而双星观测矢量夹角越小估计精度越低，且两观测矢量平行时相对距离估计失效。总的来说，现有技术中，对空间非合作目标仅测角相对定轨方法，均需要通过多个卫星平台协同测量或者单个卫星平台通过特殊轨道机动完成相对导航定轨，安全性低，操作复杂，成本高，代价大。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于虚拟分布式与混合动力学的相对轨道确定方法，设计合理，操作简单，轨道确定方便快捷。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于虚拟分布式与混合动力学的相对轨道确定方法，以Clohessy-Wiltshire动力学方程对追踪星与空间非合作目标的相对轨道进行演化，以追踪星星载CCD相机测量的单位视线矢量信息和通过追踪星星载GNSS接收机绝对定位信息作为量测量，通过最小二乘法解析计算出追踪星与空间非合作目标之间的确定相对轨道，即相对位置和相对速度。

优选的，具体包括如下步骤，

步骤1，由追踪星星载CCD相机跟踪观测空间非合作目标，获得单位视线矢量；

步骤2，引入一颗虚拟观测卫星，与追踪星构成虚拟分布式测量系统，与空间非合作目标共同建立三角测量几何关系的向量求解模型；由追踪星星载GNSS接收机的绝对定位与虚拟星经非线性动力学演化的绝对轨道构造虚拟测量基线；

步骤3，采用线性化的相对运动动力学对追踪星与空间非合作目标的相对轨道，以及虚拟观测卫星与空间非合作目标的相对轨道分别进行演化，构建解析的数学模型；采用非线性轨道动力学进行虚拟星的绝对轨道演化，获得空间非合作目标相对轨道的可观测性，并以最小二乘法进行求解提取出追踪星与空间非合作目标的相对轨道。

进一步的，步骤2中，追踪星的轨道位置R_v由GNSS接收机测量得到，虚拟星的绝对轨道经非线性动力学演化的轨道的动力学公式为，

其中，R_v和V_v分别为惯性系下虚拟星的轨道位置和轨道速度，g是建模成点-质量引力模型的引力加速度；

从而构造得到的虚拟测量基线在轨道坐标系下的投影建模如下：

r_rv＝T_i^l(R_r-R_v)(2)

其中，T_i^l为惯性系到轨道系的坐标变换矩阵。

再进一步的，步骤3中，具体的，采用线性化的Clohessy-Wiltshire动力学对追踪星与空间非合作目标的相对轨道，以及虚拟观测卫星与空间非合作目标的相对轨道分别进行演化。

再进一步的，进行演化时包括如下步骤，

步骤3.1，以步骤2中建立的三角测量几何关系的向量求解模型为基础，建立如下的向量几何模型，