專利名稱：一種大橢圓軌道火星探測(cè)器自主對(duì)火定向方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種火星探測(cè)器自主對(duì)火定向技術(shù)，在深空探測(cè)通訊存在延時(shí)，自主導(dǎo)航敏感器又未能工程應(yīng)用的情況下，通過軌道遞推和定向基準(zhǔn)坐標(biāo)系的建立，可靠的實(shí)現(xiàn)火星探測(cè)器自主對(duì)火定向控制。
背景技術(shù)：
火星探測(cè)器在環(huán)繞火星飛行階段，除對(duì)日定向保證能源、對(duì)地定向保證通訊等對(duì)姿控平臺(tái)的要求外，為實(shí)現(xiàn)對(duì)火星拍照等科學(xué)探測(cè)，姿控平臺(tái)必須具備對(duì)火星定向控制功倉(cāng)泛。
國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的火星探測(cè)器姿控平臺(tái)缺少相關(guān)技術(shù)作為借鑒。近地衛(wèi)星為實(shí)現(xiàn)對(duì)地定向功能，通常采用地平儀或星敏感器結(jié)合軌道信息的方式得到姿態(tài)控制基準(zhǔn)。由于深空探測(cè)距離遙遠(yuǎn)存在較大的通訊延時(shí)，且GPS不適用于深空探測(cè)任務(wù)，國(guó)際上通常采用地面測(cè)定軌結(jié)合自主導(dǎo)航敏感器的方式完成導(dǎo)航任務(wù)。而國(guó)內(nèi)在現(xiàn)階段，地面測(cè)定軌難以保證實(shí)時(shí)性，導(dǎo)航相機(jī)或紫外敏感器等自主導(dǎo)航敏感器還處在預(yù)研階段。因此，針對(duì)國(guó)內(nèi)火星探測(cè)任務(wù)，必須開發(fā)一種新的可靠的探測(cè)器對(duì)火定向方法。發(fā)明內(nèi)容
對(duì)于大偏心率軌道(e ^ O. 6627)，以往近地衛(wèi)星常用的處理小偏心率軌道遞推方法將不再適用。本發(fā)明將針對(duì)火星探測(cè)器大橢圓軌道特點(diǎn)建立適用的星載軌道遞推方法， 并以此建立對(duì)火定向基準(zhǔn)，形成一種大橢圓軌道火星探測(cè)器自主對(duì)火定向方法。使火星探測(cè)器在無完全依賴地面測(cè)控和無自主導(dǎo)航敏感器的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)火星定向的三軸穩(wěn)定控制。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)，一種大橢圓軌道火星探測(cè)器自主對(duì)火定向方法，其具體包 括如下步驟
1.獲取地面測(cè)控給出的軌道根數(shù)初值；
若描述軌道根數(shù)的參考坐標(biāo)系為火星中心地球赤道慣性坐標(biāo)系，則將軌道參數(shù)轉(zhuǎn)化到火星平赤道慣性坐標(biāo)系；
若地面測(cè)控給出的軌道根數(shù)初值采用瞬時(shí)軌道根數(shù)描述，則將軌道根數(shù)轉(zhuǎn)化為平軌道根數(shù)描述；
2.采用簡(jiǎn)化的解析方法進(jìn)行軌道遞推
解析方法的長(zhǎng)期項(xiàng)系數(shù)(平均變化的變率)，包括火星非球形動(dòng)力學(xué)扁率項(xiàng)和太陽(yáng)引力項(xiàng)；
短周期項(xiàng)包括火星非球形動(dòng)力學(xué)星扁率項(xiàng)、田諧項(xiàng)和太陽(yáng)引力項(xiàng)三部分，并考慮軌道半長(zhǎng)徑的二階短周期項(xiàng)；
考慮到星上計(jì)算資源有限，采用星上軟件自主進(jìn)行環(huán)火軌道遞推，以提高對(duì)火定向控制的自主性；
3.建立對(duì)火定向基準(zhǔn)坐標(biāo)系
通過軌道遞推獲得預(yù)定時(shí)刻探測(cè)器在火星平赤道坐標(biāo)系中的位置后，以火星中心-探測(cè)器位置矢量為Z軸方向，以Z方向矢量與火星北極矢量的叉乘結(jié)果作為X軸方向， 進(jìn)而根據(jù)右手定則可確定Y軸方向；
4.對(duì)火姿態(tài)機(jī)動(dòng)及返回
星上根據(jù)地面上注的對(duì)火絕對(duì)時(shí)刻，進(jìn)行機(jī)動(dòng)時(shí)間預(yù)估后，開始由精對(duì)日狀態(tài)轉(zhuǎn)入對(duì)火定向姿態(tài)機(jī)動(dòng)，對(duì)火機(jī)動(dòng)到位后保持30分鐘，自主返回對(duì)日姿態(tài)工作模式。
本發(fā)明采用的方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)和有益效果是
在地面通訊存在延時(shí)，自主導(dǎo)航敏感器又做不到工程應(yīng)用的情況下，通過軌道遞推和定向基準(zhǔn)坐標(biāo)系的建立，可靠的實(shí)現(xiàn)火星探測(cè)器自主對(duì)火定向控制。


以下將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
圖1為本發(fā)明的軌道遞推相關(guān)參考坐標(biāo)系示意圖2對(duì)火定向基準(zhǔn)坐標(biāo)系不意圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施本發(fā)明的具體步驟為首先根據(jù)初始軌道參數(shù)，進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)換，以火星平赤道坐標(biāo)系(MMEQ)為參考坐標(biāo)系，采用分析方法進(jìn)行自主軌道遞推；其次根據(jù)遞推得到的特定時(shí)刻探測(cè)器在火星平赤道坐標(biāo)系內(nèi)位置，進(jìn)行對(duì)火姿態(tài)基準(zhǔn)計(jì)算；最后，根據(jù)遙控指令給定的時(shí)刻，探測(cè)器利用星敏感器+飛輪組合方式進(jìn)行對(duì)日定向到對(duì)火定向的姿態(tài)機(jī)動(dòng)，并在機(jī)動(dòng)到位后進(jìn)行短期姿態(tài)保持。
如圖1所示，描述了火星中心地球赤道慣性坐標(biāo)系(MINS)與火星平赤道坐標(biāo)系 (MMEQ)之間的相互關(guān)系，IAU矢量為火星平赤道與地球平赤道相交節(jié)線。需明確描述軌道根數(shù)的參考坐標(biāo)系，決定是否需要將軌道參數(shù)轉(zhuǎn)化到火星平赤道坐標(biāo)系中描述；根據(jù)軌道根數(shù)類型決定是否進(jìn)行平根數(shù)、瞬時(shí)根數(shù)的轉(zhuǎn)換。若采用星上自主遞推，可采用簡(jiǎn)化的解析方法。具體為
(I)火星中心地球平赤道慣性坐標(biāo)系與火星平赤道坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換
由于俄方FGSC探測(cè)器位置及為YH-1提供的初始軌道根數(shù)均在火星平赤道坐標(biāo)系 (MMEQ)內(nèi)描述，而國(guó)內(nèi)測(cè)定軌結(jié)果習(xí)慣在火星中心地球平赤道慣性坐標(biāo)系(MINS)內(nèi)描述， 因此有必要給出兩者的轉(zhuǎn)換關(guān)系。
火星中心地球平赤道慣性坐標(biāo)系到日心黃道系轉(zhuǎn)換矩陣
ε是地球軌道的黃赤交角，
權(quán)利要求
1.一種大橢圓軌道火星探測(cè)器自主對(duì)火定向方法，其特征在于包括如下步驟 1)獲取地面測(cè)控給出的軌道根數(shù)初值； 若描述軌道根數(shù)的參考坐標(biāo)系為火星中心地球赤道慣性坐標(biāo)系，則將軌道參數(shù)轉(zhuǎn)化到火星平赤道慣性坐標(biāo)系； 若地面測(cè)控給出的軌道根數(shù)初值采用瞬時(shí)軌道根數(shù)描述，則將軌道根數(shù)轉(zhuǎn)化為平軌道根數(shù)描述； 2)采用簡(jiǎn)化的解析方法進(jìn)行軌道遞推 解析方法的長(zhǎng)期項(xiàng)系數(shù)，包括火星非球形動(dòng)力學(xué)扁率項(xiàng)和太陽(yáng)引力項(xiàng)； 短周期項(xiàng)包括火星非球形動(dòng)力學(xué)星扁率項(xiàng)、田諧項(xiàng)和太陽(yáng)引力項(xiàng)三部分，并考慮軌道半長(zhǎng)徑的二階短周期項(xiàng)； 3)建立對(duì)火定向基準(zhǔn)坐標(biāo)系 通過軌道遞推獲得預(yù)定時(shí)刻探測(cè)器在火星平赤道坐標(biāo)系中的位置后，以火星中心-探測(cè)器位置矢量為Z軸方向，以Z方向矢量與火星北極矢量的叉乘結(jié)果作為X軸方向，進(jìn)而根據(jù)右手定則可確定Y軸方向； 4)對(duì)火姿態(tài)機(jī)動(dòng)及返回 星上根據(jù)地面上注的對(duì)火絕對(duì)時(shí)刻，進(jìn)行機(jī)動(dòng)時(shí)間預(yù)估后，開始由精對(duì)日狀態(tài)轉(zhuǎn)入對(duì)火定向姿態(tài)機(jī)動(dòng)，對(duì)火機(jī)動(dòng)到位后保持30分鐘，自主返回對(duì)日姿態(tài)工作模式。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的火星探測(cè)器自主對(duì)火定向方法，其特征在于所述步驟1-1、2)中，計(jì)算平根數(shù)、瞬時(shí)根數(shù)的公式為
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的火星探測(cè)器自主對(duì)火定向方法，其特征在于所述步驟1-3)中，對(duì)火定向姿態(tài)基準(zhǔn)計(jì)算公式為
全文摘要
本發(fā)明公開一種大橢圓軌道火星探測(cè)器自主對(duì)火定向方法，使火星探測(cè)器在不完全依賴地面測(cè)控和沒有自主導(dǎo)航敏感器的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)火星定向的三軸穩(wěn)定控制。根據(jù)初始軌道根數(shù)及描述該軌道根數(shù)的參考坐標(biāo)系，進(jìn)行相應(yīng)的短期軌道遞推計(jì)算；星上自主遞推采用簡(jiǎn)化的解析方法，地面進(jìn)行軌道遞推采用高精度數(shù)值方法；以火星中心-探測(cè)器位置矢量為Z軸方向，建立對(duì)火定向基準(zhǔn)坐標(biāo)系；星上收到遙控指令后，自主轉(zhuǎn)入對(duì)火定向的姿態(tài)工作模式。與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果是在地面通訊存在延時(shí)，自主導(dǎo)航敏感器又做不到工程應(yīng)用的情況下，通過軌道遞推和定向基準(zhǔn)坐標(biāo)系的建立，可靠的實(shí)現(xiàn)火星探測(cè)器自主對(duì)火定向控制。
文檔編號(hào)G01C21/02GK103017760SQ20111028986
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2011年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月27日
發(fā)明者尹海寧, 杜寧, 蔡陳生, 周連文, 李芳華, 熊厚玲, 范蕾懿 申請(qǐng)人:上海航天控制工程研究所