一种双星绕飞轨道设计方法、系统及电子设备技术方案

本发明专利技术公开了一种双星绕飞轨道设计方法、系统及电子设备。该方法的核心算法为网格点法和蒙特卡洛算法改进的双星全局覆盖率新型算法，并根据微纳卫星参数确定微纳卫星初始轨道参数中的相关系数k值范围，根据符合相关系数k值范围的初始轨道参数，计算双星全局观测绕飞覆盖率，确定空间站覆盖率，对空间站全表面的双星绕飞构形覆盖率特性进行分析，得到了面向空间站全表面观测的双星绕飞轨道。本发明专利技术能够有效地为空间站表面的全局巡视监控提供模型、方法和基本设计思路。方法和基本设计思路。方法和基本设计思路。

【技术实现步骤摘要】
一种双星绕飞轨道设计方法、系统及电子设备


[0001]本专利技术属于航天
，涉及一种双星绕飞轨道设计方法、系统及电子设备。

技术介绍

[0002]空间站在长期运行过程中，一直面临空间碎片的潜在撞击问题。而对于较小尺寸的空间碎片，地面测控雷达以及空间站星上测控设备均难以提前发现并发出预警，只能通过事后分析的方式确定损伤情况。
[0003]为了评估空间站的健康状况和保证空间站的正常可靠运行，微纳卫星伴随系统的研究已经成为国际航天技术发展的热点和趋势之一。绕空间站飞行的微纳卫星(称作伴随卫星)能够为各种在轨精密监视、全局巡视和可靠性评估任务提供有效的探测手段。多颗微纳卫星形成的编队构形的相互间距可以从几十米到几十千米内按照需求进行选择，由此构成的协同航天系统可以进行某些大规模的协同实验，如电子侦察、合成孔径成像以及空间环境参数梯度测量等等。因此，微纳卫星伴随空间站的协同航天系统不仅可以监测空间站的工作状态，拓展在太空中的观察视野和操作手段，还可以配合主航天器，提高航天器功能并成为空间科学试验与应用的新型平台。多卫星的绕飞运动能够实现对目标的精细辨识、监视和长期在轨跟踪，对于目标的实时监测以及高价值航天器的维护具有较大的应用价值。
[0004]目前现有研究缺乏针对空间站全表面覆盖的卫星构形设计问题，因此本设计以微纳卫星在空间站周围进行健康巡视为场景设想，以微纳卫星(称作伴随卫星)在轨进行常规任务时，对空间站表面进行全局巡视和监控为背景，通过网格点法和蒙特卡洛算法设计了全局覆盖新型算法，构建了一种双星绕飞轨道设计方法、系统及电子设备。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种双星绕飞轨道设计方法、系统及电子设备，以解决现有技术中缺乏针对空间站全表面覆盖的卫星构形设计研究的问题，实现多卫星的绕飞运动能够对目标精细辨识、监视和长期在轨跟踪。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0007]一种双星绕飞轨道设计方法，包括以下步骤：
[0008]获取微纳卫星参数，确定微纳卫星初始轨道参数中的相关系数k值范围；
[0009]根据符合相关系数k值范围的初始轨道参数，计算双星全局观测绕飞覆盖率，确定空间站覆盖率；
[0010]绘制不同轨道参数下的覆盖率三维图，得到覆盖率为1时轨道参数对应的双星绕飞轨道。
[0011]优选地，所述微纳卫星参数包括：微纳卫星规避碰撞约束d
safe
卫星相机感知约束d
observe
和卫星相机成像的最大夹角θ
max
。
[0012]优选地，根据微纳卫星规避碰撞约束d
safe
，卫星相机感知约束d
observe
，计算得到微
纳卫星基于相关系数k和运动振幅A的初始轨道参数中的相关系数k值范围，具体如下：
[0013]当微纳卫星绕飞轨道中心始终位于坐标系原点时，绕飞轨道距原点的最大距和最小距的计算公式如下：
[0014][0015]根据公式(1)得到相对运动振幅A满足：
[0016][0017]根据公式(2)计算得到k值的取值范围[k
min
，k
max
]和相对运动振幅A的范围[A
min
，A
max
]；
[0018]其中，k为相关系数；A为相对运动振幅；d
safe
为微纳卫星规避碰撞约束；d
observe
为卫星相机感知约束；d
max
为绕飞轨道距原点的最大距离；d
min
为绕飞轨道距原点的最小距离。
[0019]优选地，选取一个振幅值：A＝(A
min
+A
max
)/2，且q＝0，将此三个数值代入初始运动参数的计算公式(3)，得到初始轨道参数为[A 0 kA 0
ꢀ‑
2ωA 0]；
[0020][0021]其中，k为相关系数，A为相对运动振幅，n为空间站绕飞地球的轨道角速度，为绕飞轨道初始相位，q为绕飞轨道在y轴方向上的漂移项。
[0022]优选地，根据轨道参数k，计算双星全局观测绕飞覆盖率，具体包括：
[0023]S3.1：在空间站表面随机采样，定义采样点数N；
[0024]S3.2：根据初始轨道参数计算2颗微纳卫星的绕飞轨道，对2颗微纳卫星的绕飞轨道进行均匀采样，定义采样点T；
[0025]S3.3：计算空间站表面采样点和轨道采样点的距离、轨道采样点到空间站中心的距离以及观测角的大小；若空间站表面采样点和轨道采样点的距离≤最大观测距离且观测角≤相机成像最大夹角，则进行计数操作；
[0026]S3.4：对所有轨道上的采样点依次进行S3.3的操作，所有采样点计算结束，统计得到计数数值，记为sum1，若sum1大于0，则进行计数操作；
[0027]S3.5，对空间站表面上的所有采样点依次进行S3.3和S3.4的操作，待所有采样点完成计算，统计计数数值，记为sum；
[0028]S3.6，计算全局覆盖率coverage＝sum/N。
[0029]优选地，所述S3.2中根据初始轨道参数计算2颗微纳卫星的绕飞轨道，对2颗微纳卫星的绕飞轨道进行均匀采样，定义采样点T，具体为：
[0030]空间站微纳卫星基于相关系数k与运动振幅A的绕飞轨道方程为：
[0031][0032]且卫星绕飞周期为2π，因此均匀采样的间距为2π/T，则可得到各采样点为
[0033][0034]其中i＝1,2,3,
…
T；k为相关系数，A为相对运动振幅，为绕飞轨道初始相位。
[0035]优选地，所述S3.3中观测角大小计算步骤为：
[0036]首先计算空间站采样点在绕飞轨道平面上的投影点(x
p
，y
p
，z
p
)；
[0037]已知绕飞轨道平面一般方程式为：Ax+By+Cz+D＝0，根据几何推到得到投影点的计算公式为：
[0038][0039]则可得到投影点坐标，记为(x
p
，y
p
，z
p
)；
[0040]计算空间站采样点到轨道平面的距离d；
[0041]已知空间平面外一点(x0，y0，z0)，该点到空间平面的距离公式为：
[0042][0043]用两点间距离公式计算轨道采样点与空间站采样点所对应绕飞轨道面上的投影点距离h；
[0044]计算观测角大小为：
[0045]θ＝|tan
‑1(d/h)|(8)
[0046]其中，A、B、C、D均为绕飞轨道平面方程式的常数系数。
[0047]一种双星绕飞轨道设计系统，包括：
[0048]获取单元，同于获取微纳卫星参数，确定微纳卫星初始轨本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双星绕飞轨道设计方法，其特征在于，包括以下步骤：获取微纳卫星参数，确定微纳卫星初始轨道参数中的相关系数k值范围；根据符合相关系数k值范围的初始轨道参数，计算双星全局观测绕飞覆盖率，确定空间站覆盖率；绘制不同轨道参数下的覆盖率三维图，得到覆盖率为1时轨道参数对应的双星绕飞轨道。2.根据权利要求1所述的一种双星绕飞轨道设计方法，其特征在于，所述微纳卫星参数包括：微纳卫星规避碰撞约束d
safe
卫星相机感知约束d
observe
和卫星相机成像的最大夹角θ
max
。3.根据权利要求2所述的一种双星绕飞轨道设计方法，其特征在于，根据微纳卫星规避碰撞约束d
safe
，卫星相机感知约束d
observe
，计算得到微纳卫星基于相关系数k和运动振幅A的初始轨道参数中的相关系数k值范围，具体如下：当微纳卫星绕飞轨道中心始终位于坐标系原点时，绕飞轨道距原点的最大距和最小距的计算公式如下：根据公式(1)得到相对运动振幅A满足：根据公式(2)计算得到k值的取值范围[k
min
，k
max
]和相对运动振幅A的范围[A
min
，A
max
]；其中，k为相关系数；A为相对运动振幅；d
safe
为微纳卫星规避碰撞约束；d
observe
为卫星相机感知约束；d
max
为绕飞轨道距原点的最大距离；d
min
为绕飞轨道距原点的最小距离。4.根据权利要求3所述的一种双星绕飞轨道设计方法，其特征在于，选取一个振幅值：A＝(A
min
+A
max
)/2，且q＝0，将此三个数值代入初始运动参数的计算公式(3)，得到初始轨道参数为[A 0 kA 0
ꢀ‑
2nA 0]；其中，k为相关系数，A为相对运动振幅，n为空间站绕飞地球的轨道角速度，为绕飞轨道初始相位，q为绕飞轨道在y轴方向上的漂移项。5.根据权利要求1所述的一种双星绕飞轨道设计方法，其特征在于，根据轨道参数k，计算双星全局观测绕飞覆盖率，具体包括：S3.1：在空间站表面随机采样，定义采样点数N；S3.2：根据初始轨道参数计算2颗微纳卫星的绕飞轨道，对2颗微纳卫星的绕飞轨道进
行均匀采样，定义采样点T；S3.3：计算空间站表面采样点和轨道采样点的距离、轨道采样点到空间站中心的距离以及观测角的大小；若空间站表面采样点和轨道采样点的距离≤最大观测距离且观测角≤相机成像最...

【专利技术属性】
技术研发人员：党朝辉，侯卓君，焦博涵，刘传凯，孙军，李革非，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：