【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于编队与星群航天器轨道控制仿真，特别涉及一种用于航天器编队与星群操作控制的数值仿真系统及方法。
技术介绍
1、随着现代航天科技的快速进步与发展，航天器小型化、模块化的理念与实现日趋成熟，具有质量轻、成本低、研制周期短、可靠性高、便于发射等优点的微纳型航天器获得诸多航天大国的高度重视。由多颗功能相同或不同的微小型航天器近距离编队飞行构建成为“虚拟航天器”，并利用星间相互通信与任务协同可使其具备大型航天器的功能，甚至可以实现后者现阶段无法完成的复杂任务。航天器编队与星群飞行在科学探测、物理试验、电子侦察等重要科研领域具有广泛的应用前景。
2、为了快速验证编队与星群飞行任务中多航天器在导航、制导、控制及推力分系统功能的整体可靠性、准确性、兼容性，保证项目在前期规划、中期分析、后期验证等进程的顺利展开，迫切需求开发一种集导航、制导、控制与推力分系统进行统一数值仿真的软件系统及方法。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种用于航天器编队与星群操作控制的数值仿真系统及方法。
2、实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种用于航天器编队与星群操作控制的数值仿真系统，所述数值仿真系统包括参数设置模块、高精度轨道动力学模块、导航模块、制导模块、控制模块、推力器模块和参数输出模块；
3、所述参数设置模块，用于设置数值仿真系统中各模块所需常量、变量及数据库数据；
4、所述高精度轨道动力学模块，用于实现航天器高精度的轨道积分计算获得编队星群
5、所述导航模块，用于模拟编队与星群中各航天器接收一系列传感器的绝对或相对定位信号并实现滤波定位；
6、所述制导模块，用于控制任务模式，并为编队与星群中各航天器的控制模块提供随时间变化的理想跟随轨道状态；
7、所述控制模块，用于基于导航与制导信息为编队与星群中各航天器提供满足约束条件的理论控制输出；
8、所述推力器模块，用于模拟实际推力器的推力输出情况；
9、所述参数输出模块，用于设置仿真结果输出情况。
10、进一步地，所述参数设置模块包括航天器基础参数设置单元，高精度轨道动力学模块参数设置单元、导航模块参数设置单元，制导模块参数设置单元，控制模块参数设置单元，推力器模块参数设置单元和输出参数要求设置单元；
11、所述航天器基础参数设置单元，用于输入编队与星群中各航天器的基本特征参数，包括航天器数量、各航天器初始绝对轨道状态、各航天器质量参数、各航天器迎风面积、各航天器阻力系数、各航天器光压面积和各航天器发动机推力布置参数；
12、所述高精度轨道动力学模块参数设置单元，用于输入高精度轨道动力学所需参数，包括高阶地球引力摄动参数，是否考虑地球极轴漂移章动判断标志，是否考虑三体摄动判断标志，是否考虑太阳光压判断标志，是否考虑大气阻力模型判断标志，以及初始任务仿真时间；
13、所述导航模块参数设置单元，用于输入导航模块计算参数，包括绝对定位及相对定位选择标志，绝对定位噪声参数，相对定位噪声参数以及绝对或相对无迹卡尔曼滤波器参数；
14、所述制导模块参数设置单元，用于输入制导模块计算参数，包括轨迹优化算法参数和理想轨迹状态；
15、所述控制模块参数设置单元，用于输入控制模块计算参数，包括主航天器绝对控制参数，模型预测控制参数，推力器缺省参数，推力器幅值约束参数以及防碰撞约束参数；
16、所述推力器模块参数设置单元，用于输入各航天器推力模块计算参数，包括推力器配置参数，推力器幅值参数，系统延迟参数，推力器噪声参数，推力器固定安装偏差，以及航天器姿态扰动参数等；
17、所述输出参数要求设置单元，用于设置仿真系统输出数据参数，包括数据时间间隔，以及输出参数种类。
18、进一步地，所述高精度轨道动力学模块，包括高阶地球引力加速度计算单元，地球坐标系转移矩阵计算单元、太阳月球三体摄动计算单元、大气阻力摄动计算单元以及推力器控制力引入单元，积分运算单元，以及基础轨道参数转换单元；
19、所述高阶地球引力加速度计算单元，用于计算航天器在地球轨道中受到高阶地球非球性引力的加速度；
20、所述地球坐标系转移矩阵计算单元，用于计算在系统中任务仿真时间点的地球惯性坐标系到地心坐标系的转移矩阵；
21、所述太阳月球三体摄动计算单元，用于计算太阳、月球对航天器作用在地球运行轨道中的万有引力加速度；
22、所述大气阻力摄动计算单元，用于计算航天器在地球运行轨道中受到的空气阻力引起的加速度；
23、所述推力器控制力引入单元，用于引入仿真系统在推力器模块提供的推力对航天器产生的加速度；
24、所述积分运算模块，用于根据航天器实时绝对位置速度状态及各种加速度，积分计算下一时刻的绝对位置与速度状态；
25、所述基础轨道参数转换单元，用于将各航天器绝对轨道位置速度状态转换成绝对轨道瞬时根数，绝对轨道平均根数，相对轨道位置速度状态，以及相对轨道根数等。
26、进一步地，所述导航模块，包括绝对导航数值模拟单元，相对导航数值模拟单元，绝对导航滤波单元，相对导航滤波单元，以及轨道预报单元；
27、所述绝对导航数值模拟单元，用于模拟全球导航系统或全球定位系统对各航天器的绝对位置与速度的测量数据信息；
28、所述相对导航数值模拟单元，用于模拟相对光学相机、激光雷达、微波雷达测距测角信息的相对位置与速度的测量数据信息；
29、所述绝对导航滤波单元，用于通过无迹卡尔曼滤波算法实现绝对轨道位置与速度测量数据的滤波确定；
30、所述相对导航滤波单元，用于通过无迹卡尔曼滤波算法实现相对轨道位置与速度测量数据的滤波确定；
31、所述轨道预报单元，用于模拟星载短期绝对轨道位置速度与相对轨道位置速度的预报，其输出数据将作为绝对导航滤波模块及相对导航滤波模块的状态预估数据来源。
32、进一步地，所述制导模块，包括任务模式控制单元和标称轨迹计算单元；
33、所述任务模式控制单元，用于监控、纪律与更迭仿真系统任务模式，并据此将标识信号传输于标称轨迹计算单元；
34、所述标称轨迹计算单元，用于接收标称轨迹数据并传输至控制模块；
35、所述控制模块包括动力学约束计算单元，参考航天器绝对轨道控制计算单元和副星航天器相对轨道控制计算单元；
36、所述动力学约束计算单元，用于提供控制计算推力器缺省、推力器幅值约束及防碰撞约束的约束条件，为参考航天器绝对轨道控制计算单元与相对轨道控制单元提供动力学约束参数；
37、所述参考航天器绝对轨道控制计算单元，用于计算参考航天器在动力学约束条件与标称轨迹导引下的最优加速度及推力；
38、所述副星航天器相对轨道控制计算单元，用于计算副星本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于航天器编队与星群操作控制的数值仿真系统，其特征在于，所述数值仿真系统包括参数设置模块、高精度轨道动力学模块、导航模块、制导模块、控制模块、推力器模块和参数输出模块；
2.根据权利要求1所述的用于航天器编队与星群操作控制的数值仿真系统，其特征在于，所述参数设置模块包括航天器基础参数设置单元，高精度轨道动力学模块参数设置单元、导航模块参数设置单元，制导模块参数设置单元，控制模块参数设置单元，推力器模块参数设置单元和输出参数要求设置单元；
3.根据权利要求1所述的用于航天器编队与星群操作控制的数值仿真系统，其特征在于，所述高精度轨道动力学模块，包括高阶地球引力加速度计算单元，地球坐标系转移矩阵计算单元、太阳月球三体摄动计算单元、大气阻力摄动计算单元以及推力器控制力引入单元，积分运算单元，以及基础轨道参数转换单元；
4.根据权利要求1所述的用于航天器编队与星群操作控制的数值仿真系统，其特征在于，所述导航模块，包括绝对导航数值模拟单元，相对导航数值模拟单元，绝对导航滤波单元，相对导航滤波单元，以及轨道预报单元；
5.根据权利要求4
6.根据权利要求5所述的用于航天器编队与星群操作控制的数值仿真系统，其特征在于，轨道预报单元的预报具体如下：
7.根据权利要求1所述的用于航天器编队与星群操作控制的数值仿真系统，其特征在于，所述制导模块，包括任务模式控制单元和标称轨迹计算单元；
8.根据权利要求1所述的用于航天器编队与星群操作控制的数值仿真系统，其特征在于，所述推力器模块，包括系统延迟模拟单元，推力器噪声拟合单元、推力器幅值约束单元、固定装配误差设置单元以及航天器姿态扰动单元；
9.根据权利要求1所述的用于航天器编队与星群操作控制的数值仿真系统，其特征在于，所述参数输出模块，包括参数数据库单元和参数数据图像单元；
10.基于权利要求1至9任意一项所述系统的用于航天器编队与星群操作控制的数值仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种用于航天器编队与星群操作控制的数值仿真系统，其特征在于，所述数值仿真系统包括参数设置模块、高精度轨道动力学模块、导航模块、制导模块、控制模块、推力器模块和参数输出模块；
2.根据权利要求1所述的用于航天器编队与星群操作控制的数值仿真系统，其特征在于，所述参数设置模块包括航天器基础参数设置单元，高精度轨道动力学模块参数设置单元、导航模块参数设置单元，制导模块参数设置单元，控制模块参数设置单元，推力器模块参数设置单元和输出参数要求设置单元；
3.根据权利要求1所述的用于航天器编队与星群操作控制的数值仿真系统，其特征在于，所述高精度轨道动力学模块，包括高阶地球引力加速度计算单元，地球坐标系转移矩阵计算单元、太阳月球三体摄动计算单元、大气阻力摄动计算单元以及推力器控制力引入单元，积分运算单元，以及基础轨道参数转换单元；
4.根据权利要求1所述的用于航天器编队与星群操作控制的数值仿真系统，其特征在于，所述导航模块，包括绝对导航数值模拟单元，相对导航数值模拟单元，绝对导航滤波单元，相对导航滤波单元，以及轨...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘幸川，陈丹鹤，徐根，廖文和，王创歌，张翔，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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