[发明专利]一种空天飞行器三维空间可达域分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种空天飞行器三维空间可达域分析方法，属于空天飞行器总体设计技术领域。

背景技术

空间机动目标的轨道预测和及时探测是天基空间目标探测系统的关键任务之一，更是空间态势感知的一个重要问题。随着我国航天事业的发展，对空间机动目标及时探测的需求更是越来越迫切。

天基空间目标探测系统在对空间重点目标进行观测时，常会由于地球遮挡、太阳光照、探测载荷能力等因素的影响而无法持续观测目标。若目标在系统不可观测时段内发生了非合作机动变轨，系统将无法在预报的下一次可观测到目标的位置捕获该目标，即目标丢失。因此，及时、快速地探测到该机动目标，并分析其变轨意图，便成为获取制空权和实施其他空间行动的重要基础。

空间机动目标的轨道预测的途径就是分析飞行器在空间的可达域，其设计结果的合理性直接关系到飞行器的安全与准确探测。考虑到空天飞行器空间任务的拓展，需要针对飞行器开展快速计算空间机动目标的可达域计算方法研究，以确保空间机动目标探测的可行，满足空天安全需求。

发明内容

本发明的目的是提出一种空天飞行器三维空间可达域分析方法，能够准确计算空天飞行器机动后所能到达的所有位置点的集合。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种空天飞行器三维空间可达域分析方法，包括如下内容：

(1)建立机动点位置、脉冲方向不同状态组合下的基于轨道六根数的三维空间可达域模型，分析脉冲方式变轨下的三维空间可达域；具体为通过机动点位置f、脉冲方向对应的方位角α与高度角β、方向矢量参数κ,υ推导得到可达目标的位置公式。

(2)建立具有时间约束的脉冲变轨三维空间可达域模型，分析固定时间长度下脉冲方式变轨下的三维空间可达域；根据脉冲在初始轨道施加前后轨道根数之间的关系，得到脉冲机动后的位置矢量r和速度矢量v：

C₁为轨道坐标系到地心惯性坐标系的坐标转换矩阵，C₂为当地轨道坐标系到地心惯性坐标系的坐标转换矩阵，r₁为脉冲施加时刻的飞行器地心距，f为脉冲施加时刻的飞行器真近点角，e₀为飞行器初始轨道偏心率，p₀为半通径，μ为地球引力常数，Δv为施加脉冲的大小，(α,β)为脉冲施加方向角。

(3)建立基于改进春分点轨道根数的有限推力变轨三维空间可达域模型，分析有限推力方式变轨下的三维空间可达域；根据有限推力变轨三维空间可达域模型，分析时间固定条件下燃料约束对可达域的影响，得到有时间约束的有限推力变轨下三维空间可达域。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明考虑脉冲变轨方式和有限推力变轨方式，基于轨道六根数建立的三维空间可达域模型，可计算空间飞行器在任意机动点位置、任意脉冲方向和大小、任意时间长度下的飞行器可达空间最大包络，该包络可用于分析飞行器潜在的机动变轨能力；

(2)本发明提出的三维空间可达域分析方法可用于空间轨道典型任务分析，分析结果可为在轨服务和轨道拦截任务确定飞行器所达范围内的所有可服务目标或潜在目标，可为空间观测任务提供最佳观测位置的可选集合，可为非合作目标预估一定时间范围内机动后的区域范围提供参考依据。

(3)本发明建立的三维空间可达域模型可以计算飞行器不同约束条件下的三维可达域，这种可达域通过简单的坐标系变换可投影到地球表面上，为地面的测控布站或已有观测站点选取提供数据依据。

附图说明

图1为本发明RSW坐标系示意图；

图2为本发明变轨位置任意变轨方向任意情况下飞行器可达域；

图3为本发明任意机动点、固定脉冲方向的可达域；

图4为本发明任意机动点、固定脉冲方向的可达域在x-y平面投影图；

图5为本发明固定机动点、任意脉冲方向的可达域；

图6为本发明不同时间约束下的飞行器三维空间可达域；

图7为本发明有限推力方式的固定时间下不考虑燃料约束的飞行器三维空间可达域；

图8为本发明有限推力方式的固定时间下考虑燃料约束的飞行器三维空间可达域。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步详细的说明，本发明的空天飞行器三维空间可达域分析方法，包括如下内容：

一、脉冲变轨方式的基于轨道六根数的三维空间可达域分析

1、机动点任意脉冲方向任意的三维空间可达域分析

(1)可达域目标位置方程