[发明专利]一种基于大气阻力加速度测量的近地轨道确定方法

说明书

一种基于大气阻力加速度测量的近地轨道确定方法，其步骤如下：一：准备工作；二：大气阻力加速度测量；三：非保守力加速度矢量单位化；四：给出轨道确定初始值；五：构建轨道确定方程；六：求解轨道确定方程。通过以上步骤，本发明使用航天器搭载的三轴加速度计和星敏感器，获取航天器在轨运行所受非保守力加速度和航天器本体相对于地心惯性坐标系的坐标转换矩阵，在圆轨道假设下获取定轨迭代计算初值，利用大气转动项修正非保守力加速度得到速度单位矢量，构建了定轨方程并利用轨道预报器和数值方法进行求解，实现高精度的轨道确定。该方法能在航天器上独立使用，不受电磁环境干扰，成本低廉易于实现，广泛适用于低轨航天器。

技术领域

本发明提供一种基于大气阻力加速度测量的近地轨道确定方法，它涉及一种通过测量大气阻力加速度，对近地轨道飞行器进行轨道确定的方法，属于导航技术领域。

背景技术

航天器的自动化、自主化、智能化是未来航天器发展的重要方向。航天器的自主运行和自我管理，一方面可以大大减少对地面系统的依赖，在降低任务运营成本的同时，提高作业效率；另一方面可以在很大程度上增强和改善航天器的功能和性能。航天器自主导航是实现航天器自主化的关键技术之一。对于近地轨道运行的航天器，基于全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)的导航是当前研究较多的自主导航方式。由于具备高精度、全天候和实时三维定位等优点，GNSS系统，尤其是全球定位系统(Global Positioning System，GPS)，已广泛应用于各类低轨卫星任务(对地成像、海洋测高、重力场测量、编队飞行等)。但是，GNSS系统的运行依赖于昂贵的地面监控和维护设施；且GNSS的信号较弱，容易受到干扰和欺骗，无法摆脱电子武器的威胁。因此，寻找一种可以在航天器上独立使用、不受外界电磁环境干扰、成本低廉易于实现、不依赖于其他航天器提供的定轨信息的自主导航方式，在经济、军事、科学研究等方面都具有重要的意义，例如用于军事侦察卫星的自主导航、类地球行星的探测。

由于在低地球轨道运行的航天器会受到大气的阻力的影响，因此利用静电加速度计可以对航天器所受到的大气阻力加速度进行精确的测量。静电加速度计是空间引力物理实验、卫星重力测量的关键载荷之一，其主要功能是测量航天器非保守力或者引力梯度信息。在各种类型的静电加速度计中，基于电容传感技术和静电反馈控制技术的静电加速度计具有分辨率高、灵敏度高、同时测量多个自由度加速度等优势。搭载其的航天器当受到大气阻力和太阳光压以及其它非保守力时，该静电加速度计与航天器会发生相对位移，根据位移变化结合相关技术来测量航天器所受到的非保守力。美国、欧洲目前已先后发射了CHAMP、GRACE、GOCE等地球重力场测量卫星，分别搭载了STAR、SuperSTAR、GRADIO静电加速度计，成功对全球重力场进行了测量。其中，GRADIO静电加速度计达到了的噪声密度水平，完全具备对大气阻力加速度进行测量的能力。

本专利提出的利用静电加速度计测量得到的大气阻力加速度进行轨道确定的方法是一种新型的航天器自主导航方式。这种新型的定轨方法只利用航天器自身获取到的大气阻力加速度信息和姿态信息，无需外界的辅助。由于在使用该方法进行定轨的过程中，只用到了大气阻力加速度矢量的方向而没有使用模值，因此这种方法不依赖于具体的大气模型，选用不同的地球大气密度模型对定轨精度没有任何影响。这有效地规避了地球大气模型的不确定度对定轨精度造成的一系列影响。

在利用大气阻力加速度测量进行轨道确定的过程中，需要使用星敏感器对当前航天器的进行姿态确定。相比于太阳敏感器、磁强计、地平仪和陀螺仪等其他常见姿态测量设备而言，星敏感器姿态测量精度比较高，抗干扰能力比较强，是目前航天器上最主要的姿态测量仪器。

综上，基于大气阻力加速度测量的近地轨道确定方法具有巨大的研究与应用价值，它不依赖于GNSS卫星提供的定轨信息，通过将航天器自身采集的大气阻力加速度和姿态信息转化为当前的位置速度信息，实现了航天器的完全自主的轨道确定。

发明内容