[发明专利]一种高精度双星编队对地观测轨道控制方法

说明书

本发明公开一种高精度双星编队对地观测轨道控制方法。该发明提供了一种双星工作时进行高精度悬停保持控制、非工作时采用自然椭圆绕飞控制的双模式组合控制方法。在高精度悬停保持控制中，设计前馈和反馈复合的实时闭环轨道控制器，保证主动星悬停在目标星上方，实现高精度对地观测任务。当自然椭圆绕飞时，设计实时闭环轨道控制器，保证主动星能粗精度跟踪所设计的自然椭圆绕飞轨迹，减少主动星的燃料消耗。通过上述方案，工作时可实现对地面特定区域的高精度观测，非工作时所需的燃料消耗少。

技术领域

本发明涉及航天器轨道控制方法，该方法包括悬停保持控制和自然椭圆绕飞控制。

背景技术

双星编队对地观测任务中，主动星需要高精度悬停在目标星上方，但是由于重力梯度影响，主动星需要实时轨道控制才能保证主动星始终悬停在目标星上方，但是由于卫星携带燃料有限，会大大减少卫星的使用寿命。

为提高卫星的使用寿命，当双星编队没有对地面特定区域观测时，切换为椭圆自然绕飞构型，维持该构型所需的燃料消耗远小于悬停构型保持所需的燃料消耗，这样可大大延长双星编队对地面特定区域观测的时间。

发明内容

本发明针对高精度对地观测问题，解决悬停保持控制和自然椭圆轨道绕飞跟踪控制问题。

为解决上述问题，本发明提供一种高精度双星编队对地观测轨道控制方法，该方法包括如下步骤：提出了悬停保持控制和自然椭圆轨道绕飞控制的切换条件：自然椭圆绕飞控制到悬停保持控制的切换条件为某次对地观测任务开始时间与当前时间之差小于一个自然椭圆绕飞周期T(与目标星的轨道周期相同)，且目标星轨道系下主动星相对于目标星的相对位置r_o＝[0 0 -b]^T，b为常值；而悬停保持控制到自然椭圆绕飞控制的切换条件为某次对地观测任务结束；建立主动星相对于悬停点的相对误差方程，设计前馈加反馈的复合控制器，保证主动星悬停于目标星正上方；设计主动星相对于目标星的自然绕飞轨道，设计自然椭圆轨道绕飞跟踪控制器，保证主动星跟踪自然绕飞轨道。

在具体实施方式中，所述的主动星相对于悬停点在目标星轨道系下的相对误差方程为

e₁＝r_o-r_d，

式中r_d和v_d分别表示悬停点相对于目标星在目标星轨道系下的相对位置和相对速度，r_d＝[0 0 -b]^T，v_d＝[0 0 0]^T，b为常值，与自然绕飞椭圆的短半轴相等；r_o和v_o分别表示主动星相对于目标星在目标星轨道系下的相对位置和相对速度，其中

r_o＝C_oir_i，

式中C_oi表示地心惯性系到目标星轨道系的转换矩阵；r_i和v_i分别表示地心惯性系下主动星相对于目标星的相对位置和相对速度，r_i＝r_c-r_t，v_i＝v_c-v_t，其中r_c和v_c分别表示主动星在地心惯性系下的绝对位置和绝对速度，r_t和v_t分别表示目标星在地心惯性系下的绝对位置和绝对速度；表示目标星轨道系相对于惯性系在轨道系的角速度，其表达式为

式中a、e和θ分别表示目标星的轨道半长轴、轨道偏心率和真近点角；μ表示地球引力常数(μ＝3.986005×10¹⁴m³/s²)。