專利名稱：用于生成軌道數(shù)據(jù)的方法和裝置的制作方法
為了維持或者改變圍繞地球軌道運行的衛(wèi)星相對地球的定位及其軌道路徑，要求該衛(wèi)星連續(xù)地得到有關其方位的數(shù)據(jù)。除了調整天線陣列、太陽能電池陣列之外，其它的一些通用功能也要依靠該信息。目前，這些數(shù)據(jù)多數(shù)都是通過自動或者人工干預方式而從地面站上載得到。由于衛(wèi)星圍繞地球軌道運行時通信中的間隙，所以不能以連續(xù)方式來上載數(shù)據(jù)。
在需要該信息的功能中，其主要實例就是衛(wèi)星的姿態(tài)控制。通過衛(wèi)星自身探測到的地球、太陽、恒星以及其它衛(wèi)星的位置，現(xiàn)代衛(wèi)星可以有多種手段來收集信息。此外在衛(wèi)星自帶的計算機內(nèi)還可以存儲軌道日歷(天文歷)，其中包括期望的軌道路徑和衛(wèi)星姿態(tài)的預定計劃。另外還有一個預測重復波動的數(shù)據(jù)庫可以被存儲，并且根據(jù)實際情況來更新。根據(jù)這一數(shù)據(jù)，可以預知軌道模型，并且該軌道模型可以用于糾正姿態(tài)、軌道位置以及各種陣列聚焦中所出現(xiàn)的錯誤。
在涉及地球同步軌道的情況中，由于衛(wèi)星相對地球的位置是保持不變的，所以數(shù)據(jù)要相對穩(wěn)定一些。隨著軌道變得更加復雜，則數(shù)據(jù)也會隨之變得更加動態(tài)化。隨著商用衛(wèi)星的出現(xiàn)，對復雜軌道也有了更多的需求，復雜軌道能夠在需求比較大的特定區(qū)域內(nèi)提供更長的“懸空時間”。這種軌道的一個實例就是所謂的Tundra軌道，它是一種傾斜的橢圓恒星日軌道。這種軌道中地球的相對位置不再是恒定的，且需要連續(xù)更新有關地球以及星系中其它參照物的數(shù)據(jù)?？梢灶A見當采用這種軌道時，根據(jù)該衛(wèi)星所能提供的應用，衛(wèi)星軌道和姿態(tài)數(shù)據(jù)需要以每十秒鐘的頻率進行更新。
因此需要一種方法去傳播衛(wèi)星上存儲的所需要的信息。該信息需要被轉換成為適用于各種功能的參考結構。本發(fā)明的一個目的就在于提供一種衛(wèi)星自帶系統(tǒng)，用于生成近似實時的數(shù)據(jù)消息(包括太空飛行器的位置和速度)，從而在衛(wèi)星自身所探測到的有關地球、太陽以及其它探測器數(shù)據(jù)的基礎上，更加有效地進行空間站的保持，而且可以更加精確地控制衛(wèi)星的姿態(tài)、太陽能電池陣列以及天線指向等。
衛(wèi)星控制數(shù)據(jù)以狀態(tài)向量和狀態(tài)向量積的形式被生成，它表示空間飛行器相對地球、太陽、月亮以及地球上特定位置的方位以及幾何關系。這些數(shù)據(jù)被用于控制衛(wèi)星的姿態(tài)、SADA控制、天線指向、動量管理以及地球傳感器掃描禁止調度。衛(wèi)星自帶的軌道傳播器預測數(shù)據(jù)，并且把該數(shù)據(jù)集成到各種不同功能的控制系統(tǒng)內(nèi)。以十秒鐘的固定間隔生成采用地心赤道坐標結構的狀態(tài)向量，其中包括衛(wèi)星的方位、速度以及歷元。根據(jù)此數(shù)據(jù)可以生成一系列的向量積來為特定功能服務。向量積被組織成兩組，其中一組是與姿態(tài)無關的向量積，另一種是與姿態(tài)相關的向量積。表示姿態(tài)分布的數(shù)據(jù)子集是基于姿態(tài)無關向量積的，并且它與姿態(tài)相關組相結合。這些輸出被用于各種功能控制，為閉環(huán)的功能控制提供理想的解決方案。在探測到的參考信號基礎上，為比較此系統(tǒng)的軌道傳播器所生成的理想解決方案，傳感器處理器可以提供實時的方位姿態(tài)。
每一次生成狀態(tài)向量以確保連續(xù)的性能時，都會執(zhí)行有效性檢驗。預測的狀態(tài)向量可以通過兩種方法來進行檢驗。一種方法是在預測的狀態(tài)向量方位和速度的基礎上，計算角動量向量。并且與前一個動量向量進行比較，去檢測異常的變化。由于在高能量軌道中(要被使用的其中一種類型)該動量向量會保持得相當平穩(wěn)，因此任何較小的波動都是可疑的，都會導致無效的判定。此外還要計算當前的升交角距，并且與先前的升交角距相比較，以獲得變化速率。然后該變化速率與軌道中的最大角速率相比較。較大的角速率也會導致生成無效的判定。為使傳播過程穩(wěn)定，無效性也會導致在軌道傳播器中插入上一個有效的狀態(tài)向量。而有效的判定會導致緩存該狀態(tài)向量以用于生成下一級向量積。
隨后參考附圖詳細地描述本發(fā)明，其中

圖1和圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)框圖；圖3a和圖3b是本發(fā)明的方法流程圖；圖4是本發(fā)明中所使用的軌道傳播器的框圖；圖5A和圖5B給出姿態(tài)無關向量積的列表；以及圖6給出姿態(tài)相關向量積的列表。
衛(wèi)星配備有控制計算機，用于管理計算機的功能。該計算機由一系列相互連接的處理器構成，這些處理器由駐留在計算機中的程序來操作。一組這樣的處理器(被稱為傳播器1)共同協(xié)作，根據(jù)按軌道運行的衛(wèi)星的要求去周期性地預測狀態(tài)向量。該狀態(tài)向量包括在特定時刻或歷元內(nèi)所預測的衛(wèi)星期望位置和速度。為了便于描述和理解，采用術語處理器或模塊來描述離散的功能單元。應該可以理解到，這些功能可以等效地由在一個或幾個計算機或微處理器上運行的軟件或固件功能塊來執(zhí)行。
如圖1所示，一個地面控制計算機10與衛(wèi)星進行通信，以便上載初始狀態(tài)向量以及其它數(shù)據(jù)到軌道傳播器1中，所述其它數(shù)據(jù)包括傳播過程的定時、衛(wèi)星的屬性以及參考結構。在集成的建模軟件的驅動下，軌道傳播器1生成預測的狀態(tài)向量，并且把它提供給姿態(tài)無關處理器2以及姿態(tài)相關處理器3。在該狀態(tài)向量和其它輸入的基礎上，每一個處理器2和3生成一系列的二級向量積。該二級向量積被設計去驅動用于特定衛(wèi)星功能的閉環(huán)控制，例如姿態(tài)控制、太陽能電池帆板陣列調整、地球傳感器掃描禁止定時、動量管理以及天線指向。姿態(tài)分布生成器4根據(jù)姿態(tài)無關處理器2的輸出來提供進一步有關姿態(tài)的預測數(shù)據(jù)。姿態(tài)相關處理器3根據(jù)來自姿態(tài)無關處理器2和姿態(tài)分布生成器4的輸入來生成一組向量積。在圖5A、5B以及圖6的表中給出兩組向量積的分布。取決于被控制的期望功能，其它的向量積也是有用的。
功能控制器5包括一系列模塊，它們根據(jù)二級向量積計算用于每一個功能調整的預測值。該控制模塊接收必要的探測數(shù)據(jù)，以生成與該被控制功能相關的錯誤信號。該探測到的數(shù)據(jù)與預測數(shù)據(jù)相比較，去獲得錯誤信號，并且驅動激勵器控制。
傳感器處理器6接收來自一系列傳感設備的數(shù)據(jù)，其中該傳感設備中可以包括一組太陽傳感器、陀螺儀設備、恒星跟蹤器、一個地球掃描器以及其它用于監(jiān)測參考數(shù)據(jù)的設備。該傳感器處理器對探測到的數(shù)據(jù)進行編譯，并且把它轉換成為與預測數(shù)據(jù)相兼容的參考結構。為了避免地球掃描過程中的不精確性，在太陽和月亮的干擾期間，禁止該掃描器工作。
如圖2所示，功能控制器5接收姿態(tài)無關向量積。姿態(tài)控制15根據(jù)來自處理器2以及姿態(tài)分布生成器4的向量積來計算期望的姿態(tài)參數(shù)，并且把它與來自傳感器處理器6的探測到的姿態(tài)相比較，去點燃推進器或其它姿態(tài)調整激勵器。處理器2還提供那些進行動量管理所需的向量積。
如圖2所示，姿態(tài)相關向量積被提供給太陽能電池陣列控制器13、地球掃描禁止器14以及天線陣列控制12。
這個對信號進行處理的部分要基于如下幾個因素其中一個是實現(xiàn)各種處理器和模塊處理速率與兼容組的匹配，當然另外一個因素就是要區(qū)分姿態(tài)無關向量積和姿態(tài)相關向量積。如圖所示，姿態(tài)相關處理器3的處理速率要與分布生成器4相匹配。
圖4中給出軌道傳播器1的基本部件。根據(jù)從軌道判定得到的，以及從地面控制計算機10中上載的初始條件狀態(tài)向量，軌道傳播器1以開環(huán)方式工作。初始狀態(tài)向量的主要處理可以由Runge Kutta集成器18(它被建立用于10秒鐘的傳播步驟)來完成。要在引力地球模型處理器20、太陽/月亮引力模型21以及太陽輻射壓力模型22中預測衛(wèi)星在一定軌道中所受的各種作用力，并且把它分解到集成器18中的傳播步驟?？梢圆捎美鏕oddard地球模型9的引力模型來計算地球引力，該模型在Lerch等人所寫的“Gravity Model ImprovementUsing Geos 3(GEM 9 and 10)(使用Geos 3的引力模型改進)”一文中有描述(Journal Geophysical Reasearch,Vol.84,No.B8,1979年7月)。可以采用Naval Observatory Astronomical Almanacformulas(海洋觀測天文年鑒準則)來預測特定歷元的太陽/月亮方位向量，正如在The Astronomical Almanac for the Year 1997(1997年天文年鑒)中描述的(Nautical Almanac Office,U.S.NavalObservatory,U.S.Government Printing Office,1996)。根據(jù)這些方位向量，可以預測引力對地球軌道衛(wèi)星的影響，參見Bate等人的Fundamentals of Astrodynamics(天文動力學基礎)(DoverPublications，紐約，1971)。太陽輻射壓力可以根據(jù)文章Introduction to Geostationary Orbits(同步軌道介紹)中描述的準則來預測(E.Mattias Soop,European Space OperationsCenter,European Space Agency,1983)。
為了集成各種輸入，集成器18必須能夠工作在各種參考結構中，包括地球的慣性以及地球的旋轉。為了完成這些，需要在矩陣處理器19中建立旋轉、章動和進動矩陣，并且所述矩陣在當前狀態(tài)向量的傳播期間被用于轉換，以啟動慣性結構的使用。該當前狀態(tài)向量對日期、慣性參考結構來說是正確的。
在運行中，在軌道傳播器1中預測當前狀態(tài)向量，并且按照圖3A所示來檢驗其有效性。在圖3B中給出有效性檢驗循環(huán)。一個有效的當前狀態(tài)向量被存儲在緩存器17中以便由各處理器調用。根據(jù)當前的狀態(tài)向量，要準備兩組二級向量積，并且它們被轉換用于上述標識的特定功能的控制環(huán)路中。為了處理的兼容性，這兩組數(shù)據(jù)被選擇為姿態(tài)無關的和姿態(tài)相關的。該姿態(tài)無關向量積直接基于當前的狀態(tài)向量，而姿態(tài)相關向量積要基于無關向量積以及預測的姿態(tài)分布。在功能控制處理器5中比較探測到的相關數(shù)據(jù)與預測的功能數(shù)據(jù)，以生成用于各種調整機制的激勵指令。
有效性檢驗被設計成一種簡單的方法，它在由于地面控制上載或軌道傳播過程中的數(shù)據(jù)損壞而發(fā)生錯誤時，可以快速地拒絕當前狀態(tài)向量。作為有效性的主要檢驗，在有效性檢驗處理器中要根據(jù)當前狀態(tài)向量方位和速度向量來計算角動量。由于該數(shù)值在高能量軌道中(本發(fā)明被設計用于的一種軌道)預期是固定的，所以不穩(wěn)定的指示也會導致拒絕當前的狀態(tài)向量。另外一種補充檢驗也被執(zhí)行，它要求基于當前的狀態(tài)向量計算升交角距。由于該數(shù)值的變化速率是重復的，所以將它與最快的軌道變化角速率進行比較。如果速率超出，則認定當前狀態(tài)向量無效，并且被報告回來以啟動一個安全模式。在每一次無效事件中，需要簡單的單一路徑來恢復系統(tǒng)。為提供這一功能，需要向軌道傳播器提供上一個有效的當前狀態(tài)向量，并且在此基礎上繼續(xù)進行傳播。
因此提供了一種控制系統(tǒng)，它能夠顯著地改善衛(wèi)星的自治性，即使復雜軌道要求對軌道信息進行頻繁的周期性的更新。該信息流經(jīng)過簡化而更有效率，因此可以允許當前狀態(tài)向量以十秒鐘的間隔頻繁地進行傳播。當前狀態(tài)向量很容易被有效化，從而避免了數(shù)據(jù)損壞的問題。
權利要求
1．在用于衛(wèi)星的控制系統(tǒng)中的、用于處理包括方位、速度以及歷元的當前狀態(tài)向量的一組計算機模塊，所述衛(wèi)星包括一個被構造用于預測所述當前狀態(tài)向量以用于該衛(wèi)星的功能控制的軌道傳播器，所述計算機模塊包括第一處理器，被連接去接收該當前狀態(tài)向量，并且生成第一組姿態(tài)無關的向量積；姿態(tài)分布生成器，被連接去接收第一組向量積，并且在此基礎上生成姿態(tài)分布；第二處理器，被連接去接收該第一組向量積以及該姿態(tài)分布，并且在該接收到的數(shù)據(jù)基礎上，該第二處理器生成第二組與姿態(tài)相關的向量積；傳感器處理器，被連接去接收衛(wèi)星上所帶的傳感器陣列所探測到的參考數(shù)據(jù)；以及閉環(huán)功能控制處理器，它由軟件操作的控制模塊構成，被設計用于向與該衛(wèi)星特定功能相關的多個激勵器提供錯誤校正數(shù)據(jù)，每一個所述控制模塊被連接去接收選中的該第一和第二組中的向量積，該選中的向量積要與該模塊被分配的功能相關，每一個所述控制模塊還被連接去接收相應的探測數(shù)據(jù)，并且每一個模塊比較該向量積的預測值與該探測到的數(shù)據(jù)，以便去計算校正量。
2．如權利要求1中描述的在用于衛(wèi)星的控制系統(tǒng)中的、用于處理包括方位、速度以及歷元的當前狀態(tài)向量的一組計算機模塊，所述衛(wèi)星包括一個被構造用于預測所述當前狀態(tài)向量以用于該衛(wèi)星的功能控制的軌道傳播器，其特征在于，其中該傳感器處理器從一組太陽傳感器、陀螺儀傳感器、恒星跟蹤器以及/或地球傳感器當中的至少一個中接收探測到的數(shù)據(jù)。
3．如權利要求1中描述的在用于衛(wèi)星的控制系統(tǒng)中的、用于處理包括方位、速度以及歷元的當前狀態(tài)向量的一組計算機模塊，所述衛(wèi)星包括一個被構造用于預測所述當前狀態(tài)向量以用于該衛(wèi)星的功能控制的軌道傳播器，其特征在于，其中該功能控制處理器包括一組模塊，所述模塊被設計去生成用于控制下列功能當中的至少一個功能的校正數(shù)據(jù)，所述功能有姿態(tài)控制、動量管理、天線陣控制、太陽能電池陣列控制以及/或者地球掃描禁止調度。
4．如權利要求1中描述的在用于衛(wèi)星的控制系統(tǒng)中的、用于處理包括方位、速度以及歷元的當前狀態(tài)向量的一組計算機模塊，所述衛(wèi)星包括一個被構造用于預測所述當前狀態(tài)向量以用于該衛(wèi)星的功能控制的軌道傳播器，其特征在于，其中還包括有效性檢驗系統(tǒng)，它包括由第一軟件運行的第一處理器，去接收該當前狀態(tài)向量，并且在此基礎上計算當前角動量，該第一處理器還比較該當前動量與先前計算的動量，以判定該當前動量是否指示動量穩(wěn)定；由第二軟件運行的第二處理器，去接收該當前狀態(tài)向量，并且在此基礎上計算當前的升交角距，該第二處理器還比較該當前的升交角矩與先前的升交角矩，以判定變化速率，并且進一步比較該變化速率與該軌道的最快角速率，以判定該變化速率是否超過了該最快速率；以及其中在當前角動量指示不穩(wěn)定或升交角距的變化速率超過了該軌道的最快速率時，該處理器生成指示無效的信號，而且為了響應信號的無效性，向該軌道傳播器提供上一個有效的狀態(tài)向量。
5．如權利要求1中描述的在用于衛(wèi)星的控制系統(tǒng)中的、用于處理包括方位、速度以及歷元的當前狀態(tài)向量的一組計算機模塊，所述衛(wèi)星包括一個被構造用于預測所述當前狀態(tài)向量以用于該衛(wèi)星的功能控制的軌道傳播器，其特征在于，還包括一個旋轉/章動/進動矩陣生成器，以便向軌道傳播器提供數(shù)據(jù)，用于在多個參考結構中轉換數(shù)據(jù)，并且允許在慣性參考結構中預測該當前狀態(tài)向量。
6．一種在用于衛(wèi)星的控制系統(tǒng)中處理包括位置、速度以及歷元的當前狀態(tài)向量的方法，所述衛(wèi)星包括一個被構造用于預測所述的當前狀態(tài)向量以用于衛(wèi)星功能控制的軌道傳播器，所述方法包括如下步驟接收該當前狀態(tài)向量，并且在此基礎上生成第一組姿態(tài)無關向量積；在該第一組向量積的基礎上，生成姿態(tài)分布；在該第一組向量積與該姿態(tài)分布的基礎上，生成第二組姿態(tài)相關的向量積；處理由衛(wèi)星上所帶的傳感器陣列探測到的參考數(shù)據(jù)；以及在選中的該第一和第二組的、與該衛(wèi)星被分配的功能相關的向量積以及與該經(jīng)過處理的傳感數(shù)據(jù)進行比較的基礎上，計算用于該被分配功能的校正量。
7．如權利要求6中描述的在用于衛(wèi)星的控制系統(tǒng)中處理包括位置、速度以及歷元的當前狀態(tài)向量的方法，所述衛(wèi)星包括一個被構造用于預測所述的當前狀態(tài)向量以用于衛(wèi)星功能控制的軌道傳播器，其特征在于，其中該被處理的參考數(shù)據(jù)包括來自下列裝置中的至少一個的數(shù)據(jù)，所述裝置為一組太陽傳感器、陀螺儀傳感器、恒星跟蹤器以及/或者地球傳感器。
8．如權利要求6中描述的在用于衛(wèi)星的控制系統(tǒng)中處理包括位置、速度以及歷元的當前狀態(tài)向量的方法，所述衛(wèi)星包括一個被構造用于預測所述的當前狀態(tài)向量以用于衛(wèi)星功能控制的軌道傳播器，其特征在于，其中該被分配的功能包括下列功能中的至少一個，所述功能為姿態(tài)控制、動量管理、天線陣列控制、太陽能電池陣列控制、以及/或者地球掃描禁止調度。
9．如權利要求6中描述的在用于衛(wèi)星的控制系統(tǒng)中處理包括位置、速度以及歷元的當前狀態(tài)向量的方法，所述衛(wèi)星包括一個被構造用于預測所述的當前狀態(tài)向量以用于衛(wèi)星功能控制的軌道傳播器，其特征在于，還包括如下步驟接收該當前狀態(tài)向量；在該當前狀態(tài)向量的基礎上，計算角動量向量；在該當前狀態(tài)向量的基礎上，計算升交角距；比較該角動量向量與先前計算的角動量向量，以判定該動量是否穩(wěn)定；比較該升交角距與先前計算的升交角距，以判定是否超過了該軌道的最快角速率；當角動量被判定為非穩(wěn)定或者超過了軌道的最快角速率時，通知系統(tǒng)控制無效的當前狀態(tài)向量被傳播；為響應無效信號，向軌道傳播器輸入先前的有效的當前狀態(tài)向量；以及當判定到該有效性時，存儲當前狀態(tài)向量以供使用。
10．如權利要求6中描述的在用于衛(wèi)星的控制系統(tǒng)中處理包括位置、速度以及歷元的當前狀態(tài)向量的方法，所述衛(wèi)星包括一個被構造用于預測所述的當前狀態(tài)向量以用于衛(wèi)星功能控制的軌道傳播器，其特征在于，還包括一個生成旋轉/章動/進動矩陣的步驟，以便向軌道傳播器提供數(shù)據(jù)，用于在多個參考結構中轉換數(shù)據(jù)，并且允許在慣性參考結構中預測該當前狀態(tài)向量。
11．一種在用于衛(wèi)星的控制系統(tǒng)中確認包括位置、速度以及歷元的當前狀態(tài)向量的方法，所述衛(wèi)星包括一個被構造用于重復預測所述當前狀態(tài)向量以用于衛(wèi)星功能控制的軌道傳播器，所述方法包括如下步驟接收該當前狀態(tài)向量；在該當前狀態(tài)向量的基礎上，計算角動量向量；在該當前狀態(tài)向量的基礎上，計算升交角距；比較該角動量向量與先前計算的角動量向量，以判定該動量是否穩(wěn)定；比較該升交角距與先前計算的升交角距，以判定是否超過了該軌道的最快角速率；當該角動量被判定為非穩(wěn)定或者超過了軌道的最快角速率時，通知系統(tǒng)控制無效的當前狀態(tài)向量被傳播；為響應無效信號，向軌道傳播器輸入先前的有效的當前狀態(tài)向量；以及當判定到該有效性時，存儲當前狀態(tài)向量以供使用。
12．一種在用于衛(wèi)星的控制系統(tǒng)中的有效性檢驗系統(tǒng)，所述衛(wèi)星包括一個被構造用于預測包括位置、速度以及歷元的當前狀態(tài)向量以用于衛(wèi)星功能控制的軌道傳播器，所述有效性檢驗系統(tǒng)包括由第一軟件運行的第一處理器，去接收該當前狀態(tài)向量，并且在此基礎上計算當前角動量，該第一處理器還比較該當前動量與前一個計算的動量，以判定該當前動量是否指示動量穩(wěn)定；由第二軟件運行的第二處理器，去接收該當前狀態(tài)向量，并且在此基礎上計算當前的升交角矩，該第二處理器還比較該當前的升交角矩與先前的升交角矩，以判定變化速率，并且進一步比較該變化速率與該軌道的最快角速率，以判定該變化速率是否超過了該最快速率；以及其中在當前角動量指示不穩(wěn)定或升交角距的變化速率超過了該軌道的最快速率時，該處理器生成指示無效的信號，而且為了響應信號的無效性，向該軌道傳播器提供上一個有效的狀態(tài)向量。
全文摘要
衛(wèi)星控制數(shù)據(jù)以狀態(tài)向量和狀態(tài)向量積的形式被生成,它表示空間飛行器相對地球、太陽、月亮以及地球上特定位置的方位以及幾何關系。這些數(shù)據(jù)被用于控制衛(wèi)星的姿態(tài)、SADA控制、天線指向、動量上載以及地球傳感器干擾。衛(wèi)星自帶的軌道傳播器預測數(shù)據(jù),并且把該數(shù)據(jù)集成到各種用于不同功能的控制系統(tǒng)內(nèi)。
文檔編號B64G1/24GK1315787SQ0111091
公開日2001年10月3日 申請日期2001年2月28日 優(yōu)先權日2000年3月1日
發(fā)明者L·A·巴克爾 申請人:太空系統(tǒng)/羅拉爾有限公司