面对地球静止轨道目标操作的空间多机器人自主导航方法技术

本发明专利技术公开了一种面对地球静止轨道目标操作的空间多机器人自主导航方法，首先以GEO目标卫星为在轨服务对象，设计两个空间机器人(设为主星和子星)编队飞行构型和轨道参数，然后根据地心惯性坐标系下卫星相对轨道动力学模型，建立自主导航系统状态模型；其次提出主星星敏感器观测子星所需满足的理论光照条件和成像条件。计算子星相对主星理论方位角与俯仰角，调整真实星敏感器光轴与理论方向一致，对子星进行真实观测，建立以相对单位方向矢量和距离为观测量的观测方程；最后使用Unscented卡尔曼滤波估计主星相对位置和速度，本发明专利技术属于航天导航技术领域，不仅可以为卫星在GEO编队飞行提供高精度导航信息，而且可以为其自主导航系统设计提供参考。

Multi robot autonomous navigation method for geostationary orbit target operation

The invention discloses a face of the geostationary orbit target operating space multi robot autonomous navigation method, firstly the GEO target satellite on orbit service object, the design of the two space robot (set to star and Zi Xing) formation flight configuration and orbital parameters, then according to the dynamics of relative orbit satellite heart inertial coordinate system model, establish autonomous navigation system state model; secondly, meet the needs of the main star sensor observation star theory illumination and imaging conditions. The relative theory calculation of star star azimuth and pitch angle adjustment, the real star sensor optical axis and theory direction, on the real star observations, based on relative unit vector and distance measurements for the observation equation; finally use the Unscented Calman filter to estimate the relative position and velocity of main star, the invention belongs to the technical field of space navigation. Not only can the satellite flying in GEO formation to provide high precision navigation information, but also can provide reference for the design of autonomous navigation system.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于航天器在轨服务空间测量领域，尤其涉及一种面对地球静止轨道目标操作的空间多机器人自主导航方法。
技术介绍
地球静止轨道(Geostationaryorbit，GEO)是人类独一无二的轨道资源，位于该轨道的卫星(简称GEO卫星)，覆盖面积大，且相对于地面是静止的，在通信、导航、预警、气象等民用和军用领域正日益发挥着越来越重要的作用。对于某些任务，需要将多个卫星组网，形成星座，如美国的DSP(国防支援计划)导弹预警卫星，在GEO轨道上始终保持有5颗(3颗工作，2颗备用)卫星；其天基红外系统(SBIRS)的高轨段也包括4颗GEO卫星和2颗大椭圆轨道卫星。正在建设的北斗系统，是我国自主发展、独立运行的全球卫星导航系统，由5颗静止轨道卫星和30颗其他类型卫星组成。与发达国家相比，我国卫星的在轨故障率较高，近年来失效的重要GEO卫星包括鑫诺二号卫星(2006年)、北斗一号04星(2007年)、尼日利亚星(2007年发射，2008年失效)、北斗G2星(2009年)等，严重影响了我国航天技术的发展。特别是北斗G2星(北斗卫星导航系统中5颗GEO卫星之一)的失效，影响了整个导航系统的组网进程，使我国不得不于2012年又发射了一颗替代星(G2R，又称G6)定点在与该故障星相距0.2°的位置。为保障在轨航天器长期稳定运行，并保护GEO轨道资源，必须发展以空间机器人为手段，卫星维修及太空垃圾清除为目的的在轨服务技术。由于轨道高度高、第三体引力不可忽略，用于GEO服务的空间机器人自身的发射、管理及维护成本也很高。因此需要空间多机器人系统对某一弧段内的多颗GEO卫星进行在轨维护，可大大节约卫星维护的成本，提高在轨服务效率。目前的空间机器人系统，包括已经发射并在轨演示的ETS-VII、轨道快车，以及正在开展的FREND、DEOS等系统，均是以单颗卫星作为服务对象，且服务内容较单一，不能满足在GEO轨道多颗航天器在轨维修的目的，因此研究面向GEO轨道在轨服务的空间多机器人系统势在必行。为了在GEO卫星附近空间多机器人进行编队飞行、定点保持以及共位控制，必须首先能实时获得卫星的位置和姿态信息，并且不能对临星产生干扰，由于GEO卫星通常在36000km高度，空间多机器人存在导航观测信号不足的问题：①常用GNSS导航方式存在导航信号弱、地球遮挡和可见卫星少等严重问题；②其它自主导航方式：地磁场无法使用，雷达高度计和天文导航无法提供高精度导航信息，都难以作为观测信息满足导航要求，因此这就使得研究空间多机器人新观测方法显得迫切重要。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术针对观测信息不足导致导航精度较低的问题，提出一种面对地球静止轨道目标操作的空间多机器人自主导航方法，利用星敏感器自主连续观测相对方向矢量的方法，为在轨服务的空间多机器人提供高精度相对观测信息。技术方案：一种面对地球静止轨道目标操作的空间多机器人自主导航方法，步骤如下：(1)以GEO目标卫星为在轨服务对象，将两个空间机器人分别设为主星和子星，设计主星和子星编队飞行构型及轨道参数；(2)根据地心惯性坐标系下卫星相对轨道动力学模型，建立自主导航系统状态模型；(3)根据计算的主星和子星相对距离，判断子星否满足星敏感器观测距离要求，满足则进入步骤(4)，否则进入步骤(12)；(4)根据解算的太阳、地球和子星三者位置关系，判断子星是否处在太阳光照区，是则进入步骤(5)，否则进入步骤(12)；(5)根据解算的地球、主星和子星三者位置关系，判断地球否进入星敏感器视场，是则进入步骤(6)，否则进入步骤(12)；(6)根据计算的子星可视星等，判断子星可视星等是否小于星敏感器可观测阈值，是则进入步骤(7)，否则进入步骤(12)；(7)根据计算的子星相对主星方向矢量与星敏感器光轴指向夹角，判断子星是否在星敏感器视场范围内，是则进入步骤(8)，否则计算利用万向轴调整星敏感器光轴指向后，继续判断，是则进入步骤(8)，否则进入(12)；(8)根据计算的子星在星敏感器二维像面阵坐标，判断子星是否在星敏感器二维像面阵内，是则进入步骤(9)，否则进入步骤(12)；(9)计算子星相对主星的理论方向矢量和方位角与俯仰角，进入步骤(10)；(10)调整星敏感器真实光轴指向与理论方向一致，对子星进行真实观测，计算子星相对卫星真实方向矢量，建立以单位方向矢量和距离为观测量的观测方程，进入步骤(11)；(11)对所建立的状态方程和观测方程离散化，利用Unscented卡尔曼滤波算法估计卫星位置和速度；(12)结束观测。进一步的，所述步骤(1)中的轨道参数包括轨道半长轴a、轨道偏心率e、轨道倾角i、升交点赤经Ω、近地点幅角ω、过近地点时刻tp。进一步的，所述步骤(2)中建立自主导航系统状态模型过程如下：在地心惯性坐标系下，当主星位置距离大于子星与主星相对距离的时候，建立卫星相对目标子星轨道动力学模型其中，δr(10)和δv(10)为子星相对卫星方向矢量，r(0)和r(1)为卫星和子星位置矢量，μe为地球引力常数，af为摄动力影响；定义状态变量x＝[(δr(10))T(δv(10))T]T，建立自主导航系统状态模型；其中，f[x(t),t]为系统非线性连续状态转移函数，w(t)为状态噪声。进一步的，所述步骤(3)中判断子星是否满足星敏感器观测距离要求过程如下：计算主星相对子星距离δr(10)，判断其是否满足条件Lmin≤δr(10)≤Lmax(3)其中，δr(10)＝|δr(10)|＝|r(1)-r(0)|，r(0)和r(1)为主星和子星位置矢量；Lmin和Lmax为星间观测所需最小和最大距离。进一步的，所述步骤(4)中判断子星是否处在太阳光照区过程如下：分析地球阴影范围以及子星运行穿过该阴影范围的临界条件，设子星位置矢量r(1)与太阳位置矢量r(sun)夹角为ψ，子星进入和离开地球阴影范围的临界夹角为ψcri，则子星处在太阳光照区需要满足条件：ψ＜ψcri(4)。进一步的，所述步骤(5)中判断地球是否进入星敏感器视场过程如下：设主星位置矢量r(0)和主星相对子星方向矢量δr(10)的夹角为θ，被地球遮挡导致背景光线过弱的临界条件是子星相对主星方向矢量δr(10)与地球边缘相切，定义此临界夹角为θcri，则地球未进入星敏感器视场条件为：θ＞θcri(5)。进一步的，所述步骤(6)中判断子星可视星等是否小于星敏感器可观测阈值过程如下：引入可视星等分析子星的可见性，星等值越小，表明天体越亮；反之，天体则越暗；设星敏感器可观测阈值为mthr，子星可视星等为m，子星被观测到其可视星等需要满足条件m＜mthr(6)。进一步的，所述步骤(7)中判断子星是否在星敏感器视场范围内过程如下：设子星相对主星方向矢量δr(10)与星敏感器光轴指向矢量夹角为星敏感器视场角为FOV，则方向矢量δr(10)在星敏感器视场范围内需要满足条件如果相对矢量δr(10)不在视场范围内，计算利用万向轴调整星敏感器光轴指向，使其进入视场范围，如果转动后仍不能进入视场，则无法观测。进一步的，所述步骤(8)中判断子星是否在星敏感器二维像面阵内过程如下：根据子星相对主星方向矢量δr(10)投影在星敏感器二维像面阵的几何关系，解其坐标为设二维像面阵长度和宽度分别本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面对地球静止轨道目标操作的空间多机器人自主导航方法，其特征在于，步骤如下：(1)以GEO目标卫星为在轨服务对象，将两个空间机器人分别设为主星和子星，设计主星和子星编队飞行构型及轨道参数；(2)根据地心惯性坐标系下卫星相对轨道动力学模型，建立自主导航系统状态模型；(3)根据计算的主星和子星相对距离，判断子星否满足星敏感器观测距离要求，满足则进入步骤(4)，否则进入步骤(12)；(4)根据解算的太阳、地球和子星三者位置关系，判断子星是否处在太阳光照区，是则进入步骤(5)，否则进入步骤(12)；(5)根据解算的地球、主星和子星三者位置关系，判断地球否进入星敏感器视场，是则进入步骤(6)，否则进入步骤(12)；(6)根据计算的子星可视星等，判断子星可视星等是否小于星敏感器可观测阈值，是则进入步骤(7)，否则进入步骤(12)；(7)根据计算的子星相对主星方向矢量与星敏感器光轴指向夹角，判断子星是否在星敏感器视场范围内，是则进入步骤(8)，否则计算利用万向轴调整星敏感器光轴指向后，继续判断，是则进入步骤(8)，否则进入(12)；(8)根据计算的子星在星敏感器二维像面阵坐标，判断子星是否在星敏感器二维像面阵内，是则进入步骤(9)，否则进入步骤(12)；(9)计算子星相对主星的理论方向矢量和方位角与俯仰角，进入步骤(10)；(10)调整星敏感器真实光轴指向与理论方向一致，对子星进行真实观测，计算子星相对卫星真实方向矢量，建立以单位方向矢量和距离为观测量的观测方程，进入步骤(11)；(11)对所建立的状态方程和观测方程离散化，利用Unscented卡尔曼滤波算法估计卫星位置和速度；(12)结束观测。...

【技术特征摘要】
1.一种面对地球静止轨道目标操作的空间多机器人自主导航方法，其特征在于，步骤如下：(1)以GEO目标卫星为在轨服务对象，将两个空间机器人分别设为主星和子星，设计主星和子星编队飞行构型及轨道参数；(2)根据地心惯性坐标系下卫星相对轨道动力学模型，建立自主导航系统状态模型；(3)根据计算的主星和子星相对距离，判断子星否满足星敏感器观测距离要求，满足则进入步骤(4)，否则进入步骤(12)；(4)根据解算的太阳、地球和子星三者位置关系，判断子星是否处在太阳光照区，是则进入步骤(5)，否则进入步骤(12)；(5)根据解算的地球、主星和子星三者位置关系，判断地球否进入星敏感器视场，是则进入步骤(6)，否则进入步骤(12)；(6)根据计算的子星可视星等，判断子星可视星等是否小于星敏感器可观测阈值，是则进入步骤(7)，否则进入步骤(12)；(7)根据计算的子星相对主星方向矢量与星敏感器光轴指向夹角，判断子星是否在星敏感器视场范围内，是则进入步骤(8)，否则计算利用万向轴调整星敏感器光轴指向后，继续判断，是则进入步骤(8)，否则进入(12)；(8)根据计算的子星在星敏感器二维像面阵坐标，判断子星是否在星敏感器二维像面阵内，是则进入步骤(9)，否则进入步骤(12)；(9)计算子星相对主星的理论方向矢量和方位角与俯仰角，进入步骤(10)；(10)调整星敏感器真实光轴指向与理论方向一致，对子星进行真实观测，计算子星相对卫星真实方向矢量，建立以单位方向矢量和距离为观测量的观测方程，进入步骤(11)；(11)对所建立的状态方程和观测方程离散化，利用Unscented卡尔曼滤波算法估计卫星位置和速度；(12)结束观测。2.根据权利要求1所述的面对地球静止轨道目标操作的空间多机器人自主导航方法，其特征在于：所述步骤(1)中的轨道参数包括轨道半长轴a、轨道偏心率e、轨道倾角i、升交点赤经Ω、近地点幅角ω、过近地点时刻tp。3.根据权利要求1所述的面对地球静止轨道目标操作的空间多机器人自主导航方法，其特征在于：所述步骤(2)中建立自主导航系统状态模型过程如下：在地心惯性坐标系下，当主星位置距离大于子星与主星相对距离的时候，建立卫星相对目标子星轨道动力学模型δr·(10)=δv(10)---(1a)]]>δv·(10)=-μe|r(0)|3[δr(10)-3((r(0))Tδr(10)|r(0)|2)r(0)]+af---(1b)]]>其中，δr(10)和δv(10)为子星相对卫星方向矢量，r(0)和r(1)为卫星和子星位置矢量，μe为地球引力常数，af为摄动力影响；定义状态变量x＝[(δr(10))T(δv(10))T]T，建立自主导航系统状态模型；x·t=f(xt,ut)+wt---(2)]]>其中，f[x(t),t]为系统非线性连续状态转移函数，w(t)为状态噪声。4.根据权利要求1所述的面对地球静止轨道目标操作的空间多机器人自主导航方法，其特征在于：所述步骤(3)中判断子星是否满足星敏感器观测距离要求过程如下：计算主星相对子星距离δr(10)，判断其是否满足条件Lmin≤δr(10)≤Lmax(3)其中，δr(10)＝|δr(10)|＝|r(1)-r(0)|，r(0)和r(1)为主星和子星位置矢量；Lmin和Lmax为星间观测所需最小和最大距离。5.根据权利要求1所述的面对地球静止轨道目标操作的空间多机器人自主导航方法，其特征在于：所述步骤(4)中判断子星是否处在太阳光照区过程如下：分析地球阴影范围以及子星运行穿过该阴影范围的临界条件，设子星位置矢量r(1)与太阳位置矢量r(sun)夹角为ψ，子星进入和离开地球阴影范围的临界夹角为ψcri，则子星处在太阳光照区需要满足条件：ψ＜ψcri(4)。6.根据权利要求1所述的面对地球静止轨道目标操作的空间多机器人自主导航方法，其特征在于：所述步骤(5)中判断地球是否进入星敏感器视场过程如下：设主星位置矢量r(0)和主星相对子星方向矢量δr(10)的夹角为θ，被地球遮挡导致背景光线过弱的临界条...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹏，祝燕华，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32