CN103017760B - 一种大椭圆轨道火星探测器自主对火定向方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大椭圆轨道火星探测器自主对火定向方法，使火星探测器在不完全依赖地面测控和没有自主导航敏感器的情况下，实现对火星定向的三轴稳定控制。根据初始轨道根数及描述该轨道根数的参考坐标系，进行相应的短期轨道递推计算；星上自主递推采用简化的解析方法，地面进行轨道递推采用高精度数值方法；以火星中心-探测器位置矢量为Z轴方向，建立对火定向基准坐标系；星上收到遥控指令后，自主转入对火定向的姿态工作模式。与现有技术相比，其有益效果是：在地面通讯存在延时，自主导航敏感器又做不到工程应用的情况下，通过轨道递推和定向基准坐标系的建立，可靠的实现火星探测器自主对火定向控制。

Description

一种大椭圆轨道火星探测器自主对火定向方法

技术领域

本发明涉及一种火星探测器自主对火定向技术，在深空探测通讯存在延时，自主导航敏感器又未能工程应用的情况下，通过轨道递推和定向基准坐标系的建立，可靠的实现火星探测器自主对火定向控制。

背景技术

火星探测器在环绕火星飞行阶段，除对日定向保证能源、对地定向保证通讯等对姿控平台的要求外，为实现对火星拍照等科学探测，姿控平台必须具备对火星定向控制功能。

国内现有的火星探测器姿控平台缺少相关技术作为借鉴。近地卫星为实现对地定向功能，通常采用地平仪或星敏感器结合轨道信息的方式得到姿态控制基准。由于深空探测距离遥远存在较大的通讯延时，且GPS不适用于深空探测任务，国际上通常采用地面测定轨结合自主导航敏感器的方式完成导航任务。而国内在现阶段，地面测定轨难以保证实时性，导航相机或紫外敏感器等自主导航敏感器还处在预研阶段。因此，针对国内火星探测任务，必须开发一种新的可靠的探测器对火定向方法。

发明内容

对于大偏心率轨道(e≥0.6627)，以往近地卫星常用的处理小偏心率轨道递推方法将不再适用。本发明将针对火星探测器大椭圆轨道特点建立适用的星载轨道递推方法，并以此建立对火定向基准，形成一种大椭圆轨道火星探测器自主对火定向方法。使火星探测器在无完全依赖地面测控和无自主导航敏感器的情况下，实现对火星定向的三轴稳定控制。

为解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案实现，一种大椭圆轨道火星探测器自主对火定向方法，其具体包括如下步骤：

1.获取地面测控给出的轨道根数初值；

若描述轨道根数的参考坐标系为火星中心地球赤道惯性坐标系，则将轨道参数转化到火星平赤道惯性坐标系；

若地面测控给出的轨道根数初值采用瞬时轨道根数描述，则将轨道根数转化为平轨道根数描述；

2.采用简化的解析方法进行轨道递推

解析方法的长期项系数(平均变化的变率)，包括火星非球形动力学扁率项和太阳引力项；

短周期项包括火星非球形动力学星扁率项、田谐项和太阳引力项三部分，并考虑轨道半长径的二阶短周期项；

考虑到星上计算资源有限，采用星上软件自主进行环火轨道递推，以提高对火定向控制的自主性；

3.建立对火定向基准坐标系

通过轨道递推获得预定时刻探测器在火星平赤道坐标系中的位置后，以火星中心-探测器位置矢量为Z轴方向，以Z方向矢量与火星北极矢量的叉乘结果作为X轴方向，进而根据右手定则可确定Y轴方向；

4.对火姿态机动及返回

星上根据地面上注的对火绝对时刻，进行机动时间预估后，开始由精对日状态转入对火定向姿态机动，对火机动到位后保持30分钟，自主返回对日姿态工作模式。

本发明采用的方法与现有技术相比，其优点和有益效果是：

在地面通讯存在延时，自主导航敏感器又做不到工程应用的情况下，通过轨道递推和定向基准坐标系的建立，可靠的实现火星探测器自主对火定向控制。

附图说明

以下将结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明的轨道递推相关参考坐标系示意图；

图2对火定向基准坐标系示意图。

具体实施方式

实施本发明的具体步骤为：首先根据初始轨道参数，进行相应转换，以火星平赤道坐标系(MMEQ)为参考坐标系，采用分析方法进行自主轨道递推；其次根据递推得到的特定时刻探测器在火星平赤道坐标系内位置，进行对火姿态基准计算；最后，根据遥控指令给定的时刻，探测器利用星敏感器+飞轮组合方式进行对日定向到对火定向的姿态机动，并在机动到位后进行短期姿态保持。

如图1所示，描述了火星中心地球赤道惯性坐标系(MINS)与火星平赤道坐标系(MMEQ)之间的相互关系，IAU矢量为火星平赤道与地球平赤道相交节线。需明确描述轨道根数的参考坐标系，决定是否需要将轨道参数转化到火星平赤道坐标系中描述；根据轨道根数类型决定是否进行平根数、瞬时根数的转换。若采用星上自主递推，可采用简化的解析方法。具体为：

(1)火星中心地球平赤道惯性坐标系与火星平赤道坐标系的转换

由于俄方FGSC探测器位置及为YH-1提供的初始轨道根数均在火星平赤道坐标系(MMEQ)内描述，而国内测定轨结果***赤道惯性坐标系(MINS)内描述，因此有必要给出两者的转换关系。

火星中心地球平赤道惯性坐标系到日心黄道系转换矩阵

ε是地球轨道的黄赤交角，ε＝23.4392911+0.0130042*T，其中T为儒略世纪数，则有

日心黄道坐标系到火星平春分点坐标系转换矩阵火星公转轨道面相对地球黄道面的升交点赤径为Ω_M，轨道倾角为i_M，火星公转轨道面相对地球黄道面的升交点至火星公转轨道面相对火星赤道面的升交点的角度为Ψ_M，火星公转轨道面相对火星赤道面的轨道倾角为ε_M。

ε_M＝(25.189417+0.032222·TT)·π/180

ψ_M＝(35.43771+180-0.210444·TT)·π/180

i_M＝(1.849726-0.000601·TT)·π/180

Ω_M＝(49.558093+0.772096·TT)·π/180

则有：

进而可得火星中心地球平赤道惯性坐标系到火星平赤道坐标系(俄方、姿控使用)转换矩阵：

(2)轨道递推算法

由于火星引力环境复杂，探测器轨道递推时，需考虑火星高阶非球形引力摄动、太阳光压摄动、地球、太阳等第三体引力摄动、火卫1和火卫2引力摄动等。YH-1姿控分***首先研究了高精度数值计算方法，该方法以Kepler轨道根数为状态量，采用Gauss型摄动运动方程，充分考虑了已知的各种摄动因素，可用于地面轨道预报计算。

为减少运算量，进一步给出了适于星上自主计算的分析方法。考虑到星上自主外推的精度要求，相应的分析解表达式如下：

$\mathrm{\σ}\left(t\right)=\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}+{\mathrm{\σ}}_s^{\left(1\right)}\left(t\right)$

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}\left(t\right)={\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_0+(\mathrm{\δ}{\stackrel{\‾}{n}}_0+{\mathrm{\σ}}_1)(t-t_0)$

$\mathrm{\δ}{\stackrel{\‾}{n}}_0={\left(\begin{array}{cccccc}0& 0& 0& 0& 0& {\stackrel{\‾}{n}}_0\end{array}\right)}^T$

${\stackrel{\‾}{n}}_0={{\stackrel{\‾}{a}}_0}^{-3/2}$

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_0={\mathrm{\σ}}_0-{\mathrm{\σ}}_s^{\left(1\right)}\left(t_0\right)$

轨道摄动分析解σ(t)是一小参数幂级数解。这里给出的级数解是采用拟平均根数法构造的。在轨道外推时首先就要计算初始短周期项如果历元t₀时的轨道根数是由定轨过程中直接给出的初始平均根数则不需要该步计算。各种摄动项所包含的内容如下：

长期项系数(平均变化的变率)σ₁＝σ₁(J₂，m′)，即包括火星非球形动力学扁率项和太阳引力项。

短周期项即只包括火星非球形动力学星扁率项J₂项、田谐项J_2，2和太阳引力项三部分。经过分析和试算表明，无需全面考虑田谐项和太阳引力摄动，只要计算a_s ⁽¹⁾(t，J_2，2，m′)即可；但是，在近火点附近，轨道半长径a的一阶短周期项的量级可接近10^-1，必须考虑它的二阶短周期项为便于星上采用，给出了的简化形式。

如图2所示，描述了对火定向基准坐标系原理，其中O_dX_dY_dZ_d和O_mX_mY_mZ_m分别为对火定向基准坐标系和火星平赤道坐标系。火星平赤道坐标系X轴沿火星春分点方向，以X轴方向矢量与火星北极矢量的叉乘结果作为Z轴方向；对火定向基准坐标系Z轴方向沿火星中心-探测器位置矢量方向，以Z轴方向矢量与火星北极矢量的叉乘结果作为X轴方向；

具体过程为，星载软件接收对火定向机动的指令和机动到位时刻，利用轨道递推算法计算特定时刻火星平赤道坐标系下探测器位置矢量r_MP。由于相机等载荷安装在探测器-Z方向，可定义对火定向基准坐标系O_dX_dY_dZ_d

Z_d＝r_MP/||r_MP||

X_d＝Z_d×h_mi

Y_d＝Z_d×X_d

进一步可将方向余弦阵转化为四元数矩阵，由于星敏测量及其他姿态基准均在J2000地球平赤道惯性坐标系(INS)中描述，因此可得到对火定向基准坐标系在惯性系内的描述。

Claims (3)

1.一种大椭圆轨道火星探测器自主对火定向方法，其特征在于包括如下步骤：

1)获取地面测控给出的轨道根数初值；

若描述轨道根数的参考坐标系为火星中心地球赤道惯性坐标系，则将轨道参数转化到火星平赤道惯性坐标系；

若地面测控给出的轨道根数初值采用瞬时轨道根数描述，则将轨道根数转化为平轨道根数描述；

2)采用简化的解析方法进行轨道递推

解析方法的长期项系数，包括火星非球形动力学扁率项和太阳引力项；

短周期项包括火星非球形动力学星扁率项、田谐项和太阳引力项三部分，并考虑轨道半长径的二阶短周期项；

3)建立对火定向基准坐标系

通过轨道递推获得预定时刻探测器在火星平赤道坐标系中的位置后，以火星中心-探测器位置矢量为Z轴方向，以Z方向矢量与火星北极矢量的叉乘结果作为X轴方向，进而根据右手定则可确定Y轴方向；

4)对火姿态机动及返回

星上根据地面上注的对火绝对时刻，进行机动时间预估后，开始由精对日状态转入对火定向姿态机动，对火机动到位后保持30分钟，自主返回对日姿态工作模式。

2.根据权利要求1所述的火星探测器自主对火定向方法，其特征在于：所述步骤1)、2)中，计算平根数、瞬时根数的公式为：

$\mathrm{\σ}\left(t\right)=\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}+{\mathrm{\σ}}_s^{\left(1\right)}\left(t\right)$

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}\left(t\right)={\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_0+(\mathrm{\δ}{\stackrel{\‾}{n}}_0+{\mathrm{\σ}}_1)(t-t_0)$

$\mathrm{\δ}{\stackrel{\‾}{n}}_0={\left(\begin{array}{cccccc}0& 0& 0& 0& 0& {\stackrel{\‾}{n}}_0\end{array}\right)}^T$

${\stackrel{\‾}{n}}_0={{\stackrel{\‾}{a}}_0}^{-3/2}$

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_0={\mathrm{\σ}}_0-{\mathrm{\σ}}_s^{\left(1\right)}\left(t_0\right)$

式中：

σ(t)轨道摄动分析解；初始平均根数；σ₁长期项系数(平均变化的变率)；σ⁽¹⁾ _s短周期项系数；平轨道角速度。

3.根据权利要求1所述的火星探测器自主对火定向方法，其特征在于：所述步骤3)中，对火定向姿态基准计算公式为：

Z_d＝r_MP/||r_MP||

X_d＝Z_d×h_mi

Y_d＝Z_d×X_d

式中：r_MP为火星中心至探测器矢量；h_mi为火星北极矢量；为火星赤道惯性坐标系至对火定向基准坐标系方向余弦阵；为地心赤道惯性坐标系至对火定向基准坐标系四元数。