CN107298186B - 一种基于激光载荷的同轨面卫星自主相对位置保持方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于激光载荷的同轨面卫星自主相对位置保持方法，采用导航星座实现星上自主定轨或通过地面站测控定轨，获取卫星位置初始基准，采用星间激光测距通信一体载荷结合转台指向信息实现空间两星之间的相对位置的确定与***间的时间统一，利用星座各星当前位置进行目标星座的解算，将现有位置信息与目标位置信息对比，确定各星相对位置保持需求，并解算各星外包络及姿态形变要求，通过太阳翼位置调整与变形、调整摄动影响，改变卫星轨道变化速率，从而实现同轨面多星的相对位置保持，确保星座中各星在轨道受摄动影响后可以一相对较好的构型运行，以减低轨道衰减影响。

Description

一种基于激光载荷的同轨面卫星自主相对位置保持方法

技术领域

本发明涉及卫星运行轨迹和姿态控制技术领域，具体为一种基于激光载荷的同轨面卫星自主相对位置保持方法。

背景技术

航天技术是当今世界最有发展潜力的高新技术之一，空间应用从传统以高轨、单星应用为主向高、低轨卫星搭配，星座组应用与单星独立应用相融合的应用模式发展。同时，随空间高轨轨位竞争的目益激烈，低轨星座应用已经成为空间应用的重要形式。以铱星***，轨道通信***为代表的低轨通信***，以北斗、GPS为代表的复合星座导航***，以“鸽群”、“空间盒子”为代表的低轨对地遥感***均利用多星组网实现对地应用。而微小卫星技术的蓬勃发展，使低轨星座应用成为未来空间应用的重要发展方向之一。

在轨航天器主要受轨道摄动影响。轨道摄动主要有地球非均匀性、非球形摄动、大气阻力摄动、日月引力摄动等。低轨卫星主要受大气阻力与地球非球形摄动影响，主要表现为对轨道半长轴变化引起的地面轨迹漂移。而同一星座中的在轨卫星由于受摄动因素的综合作用，两星之间对位置不能满足星座性能要求，为保证低轨星座运行相对稳定、空间***工作性能、覆盖性、相对连接关系等应用指标，需对长期运行星座星间相对位置进行保持，即确保星座中各星在轨道受摄动影响后可以一相对较好的构型运行，以减低轨道衰减影响。

如何在卫星平台质量、功率、体积等应用约束下，降低卫星推进剂消耗、实现星座中卫星相对位置在轨道衰减后可保持相对较好的构型，对提高卫星星座应用能力具有重要意义。

星座中卫星相对位置的保持是实现其功能的基本保障。星座应用中多采用自然衰减模式、基于推进器的主动控制模式或基于空间环境影响的被动控制模式。自然衰减模式下卫星星座不进行星座维持，星座末期***性能大幅衰减。基于推进器的主动控制模式下卫星采用推进器进行变轨以维持星座相对位置，利用地面测控网络、导航星座结合星间通信实现位置的确定，由地面进行数据处理，由于推进剂的不可再生性、***长期在轨能力较差同时自主运行能力较差，***健壮性不足。被动式星座维持利用卫星构型的改变实现变轨，星座中各星相对独立，与主动控制模式相同，星座中卫星通过地面站点产生联系，仍存在对地面依赖较高不足。

综上，为提高星座独立性，实现星座长期自主相对位置的低消耗保持，优化衰减后的星座，本发明提出一种基于激光载荷的同轨面卫星自主相对位置保持方法。

发明内容

一种基于激光载荷的同轨面卫星相对位置保持方法通过激光通信测距一体载荷实现同轨面卫星的高精度定位，通过可变太阳翼位置调整与变形实现相对位置调整，进而实现星座中同轨面卫星的相对位置保持。具体见下文。

一种基于激光载荷的同轨面卫星自主相对位置保持方法，包含导航星座(或地面站)及若干同轨面卫星构成的星座，特征在于以导航星座导航信息或地面站定轨与时间信息为初始基准，当导航星座与地面站不可用时定时发起相对位置保持需求检测，依靠卫星的自主计算能力，通过星上激光通信测距离一体载荷实现卫星之间时统、测距、测角、通讯，判断各星相对位置保持需求，并通过控制卫星迎风面有效面积完成星座中卫星自主相对位置保持。

其方法步骤如下：

a)获取初始基准。卫星位置、时间初始基准的获取有两种方式：一是由卫星自主与导航星座通讯获取位置实现星上自主定轨与授时；二是或通过地面站测控定轨，地面授时。两种方式互为冗余。卫星获得初始基准后可实现自主相对相位保持。

b)统一各卫星时间，确定卫星位置。星座运营时以导航信息获得卫星位置与时间基准或通过地面站获得卫星位置与时间初始基准。星座有相对位置保持需求时，若导航星座或地面站信息可用，则卫星直接采用导航信息或地面上注卫星位置并进和时间统一；若导航星座与地面站不可用，则以主控星时间作为基准统一星座内卫星时间，通过激光通信测距一体载荷确定卫星位置，进行星座内卫星星上时间统一；具体操作是：在星座中确定一颗卫星为星座主控制星编号为0号星，以主控星为基准对卫星依次编号1、2、3….N，由主控星0号星发起相位维持判别需求指令，由主控星根据各卫星轨道外推所得位置进行卫星分组，以相邻的三颗卫星为一组，每组中位于中间的卫星作为相对位置测量星，测量同组内别两星相对位置，若多出2星，则自成一组相互测量，当多出为单星时与前向一星进行相互测量；激光通信与测距定位功能一体集成实现连续的跟踪与测量及各星间信息传输。每组卫星中的测量星激光通信测距载荷利用星上轨道外推模形进行目标区域的初步确定，通过跟瞄***实现对目标的扫描，实现回波应答后建立通信链路，同时载荷向所在星平台传送载荷发出光线相对星体的角度信息，通过坐标系转换得到另一卫星相对位置。各星将相对位置测量结果传给主控星，由主控星联合各星外推结果进行位置复核，最终解算得到高精度的卫星位置信息。

c)相对位置保持判别。由主控星根据星座内卫星位置解算相邻两星夹角，以星座内同轨卫星与地心连线之间的夹角为主要判别依据，当夹角大于安全阈值时启动相对位置保持方案。安全阈值根据星座对地覆盖需求与轨道高度解算，以当星座内多数卫星所在轨道拟合所得轨道高度下理想星座构型为基准。

d)目标星座解算。确定需进行相对位置保持操作时，则由主控星利用星座各星当前位置进行目标星座的解算，并给出各星目标轨道。主控星利用星间激光通信测距一体载荷将各星目标轨道与当前轨道发送给星座内其它星，各星自主确定相对位置保持操作。目标星座解算时主要考虑地球的非均匀性、非球形摄动与大气阻力。

e)太阳翼面积与位置解算。星座内各星接收目标星座当前卫星位置，结合在轨运行姿态要求解算所需太阳翼相对主体的位置与所需太阳翼面积。

f)调整太阳翼位置与面积，进而调整卫星摄动影响，实现同轨面多星的相对位置保持。通过调整太阳翼位置与变形，调整摄动影响，改变卫星轨道变化速率，从而实现同轨面多星的相对位置保持。

低轨航天器摄动中由于地球非球形摄动为保守力，大气阻力为耗散力，是造成卫星轨道偏移的主要因素。大气阻力形成的阻力加速度可表示为:

其中v为卫星相对大气的飞行速度，ρ为大气密度，A/m为卫星有效面积与质量之比，C_D为大气阻力系数。对于无推进剂消耗卫星，卫星质量基本不变。大气密度与轨道高度相关。通过相对位置调整需求解算两星所需有效面积，并以一定的周期进行星座维持需求调整，以确保两星相对位置在充许范围。

太阳翼采用折叠展开机构，可利用展开机构调整太阳翼与卫星相对大气飞行速度方向的投影面面积，并利用太阳翼的折叠调整翼面面积，从而调整卫星有效面积，得到不同的大气阻力加速度，调整卫星轨道衰减情况。

附图说明

图1是本发明应用流程示意图

图2是同轨面9星星座应用时卫星编号示意图

具体实施方式

列举一具体实施例，星座采用导航星座实现星上自主定轨，获取位置初始基准，之后导航星座失效，星座自主进行相对位置保持。利用激光通信测距一体载荷实现卫星相对位置的确定与星上时间统一。利用星座各星位置确定各星相对位置保持需求算，确定需进行相对位置保持操作后进行目标星座解。通过目标星座确定摄动调整方案，通过太阳翼改变、调整摄动影响，从而实现同轨面多星的相对位置保持。

获得初基准后方案可分为利用激光通信测距离一体载荷与星历的各星位置确定，相对位置保持需求解算，目标星座解算，太阳翼面积与位置解算，太阳翼机动实现五个阶段。在星座中选择一计算能力较强，可靠性较高卫星作为主控卫星，由主控星发起信息互通与星座相对位置保持需求并进行星座各星高精度位置解算，目标星座解算。可按任务需求变换主控星。星座在运行时由主控星定时发起相对位置保持判别，进行算星座内卫星位置确定，并解算安全阈值，当相邻两星夹角大于安全阈值时进行相对位置保持操作。

图2是同轨9星星星座应用时卫星编号示意图。主控星编号为00，其它卫星按同一顺序顺次编号。

以低轨9星卫星星座维持为应用实例进行方案应用说明。9颗卫星初始位于同一轨面采用WALKER星座部署，轨道维持目标为9星较为均匀的分布于同一轨道面。星座中9星配置相同，可随机选择其中任一卫星作为主控星。各卫星初始轨道与时间初始基准由导航星座给出，作为星座入轨运行初始基准，后续星座维持基于星上轨道外推与星间激光通信测距离一体载荷进行。该星座自主相对位置保持方案实施方式如下：

(1)确定9星星座主控制星并编号为00星，以主控星为基准对卫星依次编号01至08，由主控星00星发起相对位置保持判别需求，具体编号情况如图2所示。

(2)以00星星上时间作为基准利用星间激光通信、测距离一体载荷实现星座内九9颗卫星时间统一。01至08星将自身轨道外推所得自身位置传给00星。

(3)00星进行相对位置测量分组并确定各组测量星。利用激光通信、测距一体载荷采用测距结合转台角度信息，由主控星00开始确定01星与08星对00星的相对位置，由02星确定01星与03星对02星的相对位置，由04星确定03星与05星对04星的相对位置，由06星确定05星与07星对06星的相对位置，由08星确定07星与00星相对08星的相对位置。

(4)通过星间激光通信测距载荷将各相对位置解算结果传向主控星00，由00星结合各星外推结果解算各星位置，通过激光通信传给各星。进行星座轨道拟合，解算安全阈值。解算相邻两星位置与地心间夹角，当两星间有一夹角大于相对位置保持安全阈值时主控星启动相对位置保持操作，转入下一步。否则等待下一相对位置保持判别需求发起，重复进行步骤(2)至(4)。

(5)主控星综合星座内各卫星位置进行目标星座解算并分解为各星目标轨道，将目标轨道数据通过激光通信载荷传往各星。在此应用实例中取九星中最低点作为星座设计基准，考虑调整时间，生成新的星座作为目标星座。

(6)各星通过由主控制星传送的自身位置与目标轨道解算自身调整需求，结合卫星在轨运行姿态要求计算卫目标太阳翼位置与目标面积。

(7)调整太阳翼位置与面积，进而调整卫星摄动影响。

(8)在调整其间，定时进行相对位置保持需求判别，及时调整方案。

Claims (7)

1.一种基于激光载荷的同轨面卫星自主相对位置保持方法，包含导航星座或地面站及主控星在内的若干同轨面卫星构成的星座；特征在于以导航星座导航信息或地面站定轨与时间信息为初始基准，当导航星座与地面站不可用时，主控星定时发起相对位置保持需求检测，依靠卫星的自主计算能力，通过星上激光通信测距一体载荷实现卫星之间时统、测距、测角、通讯，判断各星相对位置保持需求，并通过控制卫星迎风面有效面积完成星座中卫星自主相对位置保持；其方法步骤如下：

a)获取初始基准；

b)统一系星上时间,确定卫星位置；

c)相对位置保持判别；

d)目标星座解算；

e)太阳翼面积与位置解算；

f)调整卫星太阳翼位置与面积，进而调整卫星摄动影响，进而实现同轨面多星的相对位置保持；

当星座有相对位置保持需求时，若导航星座或地面站信息可用，则卫星直接采用导航信息或地面站信息确定卫星位置并进行时间统一；若导航星座与地面站不可用时，则以主控星时间作为基准统一星座内卫星时间，通过激光通信测距一体载荷确定卫星位置，进行星座内卫星星上时间统一，具体操作是：在星座中确定一颗卫星为星座主控制星编号为0号星，以主控星为基准对卫星依次编号1、2、3….N，由主控星0号星发起相对位置保持判别需求指令，由主控星根据各卫星轨道外推所得位置进行卫星分组，以相邻的三颗卫星为一组，每组中位于中间的卫星作为相对位置测量星，测量同组内另两星相对位置，若多出2星，则自成一组相互测量，当多出为单星时与前向一星进行相互测量，每组卫星中的测量星激光通信测距一体载荷利用星上轨道外推模形进行目标区域的初步确定，通过跟瞄***实现对目标的扫描，实现回波应答后建立通信链路，同时向所在星平台传送载荷发出光线相对星体的角度信息，通过坐标系转换得到另一卫星相对位置，各星将相对位置测量结果传给主控星，由主控星联合各星外推结果进行位置复核，最终解算得到高精度的卫星位置信息。

2.根据权利要求1所述的基于激光载荷的同轨面卫星自主相对位置保持方法，卫星位置、时间初始基准的获取有两种方式：由卫星自主与导航星座通讯获取位置实现星上自主定轨与授时；或通过地面站测控定轨，地面授时。

3.根据权利要求1或2所述的基于激光载荷的同轨面卫星自主相对位置保持方法，当确定需进行相对位置保持操作时，则由主控星利用星座各星当前位置进行目标星座的解算，并给出各星目标轨道，主控星利用星间激光通信测距一体载荷将各星目标轨道与当前轨道发送给星座内其它星，各星自主确定相对位置保持操作。

4.根据权利要求1所述的基于激光载荷的同轨面卫星自主相对位置保持方法，星座内各星接收目标星座当前卫星位置，结合在轨运行姿态要求解算所需太阳翼相对主体的位置与所需太阳翼面积。

5.根据权利要求1所述的基于激光载荷的同轨面卫星自主相对位置保持方法，调整太阳翼位置与面积进而调整卫星摄动影响实现同轨面多星的相对位置保持是通过调整卫星太阳翼位置与变形、调整摄动影响、改变卫星轨道变化速率，从而实现同轨面多星的相对位置保持。

6.根据权利要求1或5所述的基于激光载荷的同轨面卫星自主相对位置保持方法，同轨面卫星的太阳翼有可收展执行机构，卫星通过可收展执行机构改变卫星的有效迎风面积，使卫星调整至目标轨道，保持自主相对位置。

7.根据权利要求1所述的基于激光载荷的同轨面卫星自主相对位置保持方法，卫星自主相对位置保持设置有安全阈值，安全阈值根据星座对地覆盖需求与轨道高度解算，以星座内多数卫星所在轨道拟合所得轨道高度下理想星座构型为基准，由主控星根据星座内卫星位置解算相邻两星夹角，以星座内同轨卫星与地心连线之间的夹角为主要判别依据，当夹角大于安全阈值时启动相对位置保持方案。

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