CN109927941A - 一种基于预测离轨点精度的自主允许离轨判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于预测离轨点精度的自主允许离轨判断方法，包括：确定预测离轨时空点和离轨点精度位置门限，并上注给返回式飞行器；确定自主允许离轨判断的时机；在允许离轨判断时刻，获取返回式飞行器的赤惯系位置和赤惯系速度；计算允许离轨判断时刻瞬时轨道根数；计算预测离轨时刻的赤惯系位置；及基于所述预测离轨时刻的赤惯系位置和理论赤惯系位置自主进行判断。本发明中通过计算预测离轨时刻的赤惯系位置，及对预测离轨时刻的赤惯系位置和理论赤惯系位置误差值与离轨点精度位置门限的比较，实现自主允许离轨判断，能够满足测控资源有限的货运飞船允许离轨判断的不足，降低对地面测控资源和中继资源的依赖性。

Description

一种基于预测离轨点精度的自主允许离轨判断方法

技术领域

本发明涉及自主允许离轨判断方法。更具体地，涉及一种基于预测离轨点精度的自主允许离轨判断方法。

背景技术

返回式飞行器是指在太空执行完任务后，其整体或其中的一部分需再入地球稠密大气层并在地面安全着陆的飞行器。返回式卫星、载人飞船、航天飞机的轨道器以及采集月球或其他行星样品送回地球的深空探测器，都属于返回式飞行器。其中，航天飞机的轨道器为整体返回，返回式卫星、载人飞船等仅其返回舱具有返回功能。

返回式飞行器的允许离轨判断是指根据飞行器的当前状况判断是否满足离轨条件。飞行器的当前状况判断包括设备健康状态判断以及轨道状态判断，其中，设备健康状态一般是指飞行器的电量、推进剂量、导航设备的功能和性能的判断，该判断与飞行器的配置关系较大，不具有通用性；轨道状态判断一般是指飞行器的轨道误差是否满足飞行器的离轨机动能力要求，该判断方法与飞行器配置关系不大，具有一定的通用性，因此更具有研究意义。

在工程上，允许离轨判断一般分地面判断和航天员自主判断：

(1)地面判断是指地面人员根据飞行器的遥测下来的飞行器位置、速度等轨道信息，判断轨道根数偏离标称轨道根数的情况。若偏离过大，则认为轨道已经严重偏离标称轨道，无法按照原定的离轨时刻进行离轨。该方法的优点是对飞行器的计算能力要求小，且能够有效避免自主判断可能出现的误判情况。但是，该方法的缺点是对地面测控资源和中继资源的依赖性非常强，当地面测控站和中继资源较少时，遥测下来的轨道信息较少，会导致轨道预报精度较差，将可能会对轨道的偏离程度产生误导。

(2)航天员自主判断是指飞行器上的航天员根据当前的位置、速度等轨道信息，判断轨道根数偏离标称轨道根数的情况。若偏离过大，则认为轨道已经严重偏离标称轨道，无法按照原定的离轨时刻进行离轨。该方法的优点是对地面测控资源和中继资源的依赖性较弱，但其缺点是对航天员的依赖性较高。而且，对于货运飞船，该方法并不适用。

综上可知，传统的两种允许离轨判断方法对于测控资源或者航天员的依赖性很高，因此在使用上具有一定的局限性。特别地，在测控资源有限的货运飞船上，传统的允许离轨判断方法不再适用。

因此，针对现有技术无法满足测控资源有限的货运飞船允许离轨判断的不足，需要提供一种基于预测离轨点精度的自主允许离轨判断方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于预测离轨点精度的自主允许离轨判断方法，能够降低对于测控资源或者航天员的依赖性，满足测控资源有限的货运飞船允许离轨判断的要求。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于预测离轨点精度的自主允许离轨判断方法，该方法包括：

确定预测离轨时空点和离轨点精度位置门限，并上注给返回式飞行器；

确定自主允许离轨判断的时机；

在允许离轨判断时刻，获取返回式飞行器的赤惯系位置和赤惯系速度；

计算允许离轨判断时刻瞬时轨道根数；

计算预测离轨时刻的赤惯系位置；及

基于预测离轨时刻的赤惯系位置和理论赤惯系位置自主进行判断。

可选的，确定预测离轨时空点和离轨点精度位置门限，并上注给返回式飞行器包括：

基于返回式飞行器过测控站期间遥测的定轨数据计算预测离轨时刻T_LG、预测离轨理论赤惯系位置以及轨道预报误差Δ₁；

确定预测离轨时空点为

确定离轨点精度位置门限Δ_L，其中Δ_L＞Δ₁；及

将预测离轨时空点和离轨点精度位置门限Δ_L上注给返回式飞行器。

可选的，确定自主允许离轨判断的时机包括：

确定离轨前必要的准备时间为DT_Pre，离轨前必要的准备时间为DT_Pre至少包括开启相关设备时间和姿态调整时间；及

确定自主允许离轨判断的时机T_CHK，其中T_LG-T_CHK＞DT_Pre。

可选的，获取返回式飞行器的赤惯系位置和赤惯系速度包括：

在允许离轨判断时刻，根据导航结果，记录返回式飞行器的赤惯系位置赤惯系速度

可选的，计算允许离轨判断时刻瞬时轨道根数包括：

根据允许离轨判断时刻返回式飞行器的赤惯系位置和赤惯系速度计算离轨判断时刻瞬时轨道根数(a,e,Ω,i,ω,M(T_CHK))；

其中，a为半长轴，e为偏心率，Ω为升交点赤经，i为轨道倾角，ω为近地点幅角，M(T_CHK)为允许离轨判断时刻的平近点角。

可选的，计算预测离轨时刻的赤惯系位置包括：

根据离轨判断时刻瞬时轨道根数(a,e,Ω,i,ω,M(T_CHK))，计算预测离轨时刻T_LG的赤惯系位置

可选的，基于预测离轨时刻的赤惯系位置和理论赤惯系位置自主进行判断包括：

利用预测离轨时刻的赤惯系位置和理论赤惯系位置自主进行判断，其中

当时，则判断允许离轨；

当时，则判断不允许离轨。

可选的，离轨点精度位置门限Δ_L和轨道预报误差Δ₁的差值大于第一阈值。

可选的，预测离轨时刻T_LG和自主允许离轨判断的时机T_CHK的差值(T_LG-T_CHK)与离轨前必要的准备时间为DT_Pre的差值大于第二阈值。

本发明的有益效果如下：

本发明的一种基于预测离轨点精度的自主允许离轨判断方法，通过计算预测离轨时刻的赤惯系位置，及对预测离轨时刻的赤惯系位置和理论赤惯系位置误差值与离轨点精度位置门限的比较，实现自主允许离轨判断，能够满足测控资源有限的货运飞船允许离轨判断的不足，降低对地面测控资源和中继资源的依赖性。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明中基于预测离轨点精度的自主允许离轨判断方法的流程图。

图2示出本发明实施例中标准轨道下的相关参数。

图3示出本发明实施例中偏差轨道下的相关参数。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

应注意的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的属于“第一”、“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法或设备固有的气体步骤或单元。

本发明中公开一种基于预测离轨点精度的自主允许离轨判断方法，该方法包括：确定预测离轨时空点和离轨点精度位置门限，并上注给返回式飞行器；确定自主允许离轨判断的时机；在允许离轨判断时刻，获取返回式飞行器的赤惯系位置和赤惯系速度；计算允许离轨判断时刻瞬时轨道根数；计算预测离轨时刻的赤惯系位置；及基于预测离轨时刻的赤惯系位置和理论赤惯系位置自主进行判断。

本发明的一种基于预测离轨点精度的自主允许离轨判断方法，通过计算预测离轨时刻的赤惯系位置，及对预测离轨时刻的赤惯系位置和理论赤惯系位置误差值与离轨点精度位置门限的比较，实现自主允许离轨判断，能够满足测控资源有限的货运飞船允许离轨判断的不足，降低对地面测控资源和中继资源的依赖性较弱。

下面结合一个具体实施例进行说明，如图1所示

第一步，确定预测离轨时空点以及离轨点精度位置门限Δ_L，并上注给返回式飞行器。

地面技术人员根据返回式飞行器过测控站期间遥测的有限的定轨数据，通过一定的算法，计算预测离轨时刻T_LG、预测离轨理论赤惯系位置以及轨道预报误差Δ₁。

预测离轨点精度位置门限Δ_L需满足以下公式并留有一定余量，即Δ_L＞Δ₁。

在离轨制动前的测控区内，将预测离轨时空点以及离轨点精度位置门限Δ_L上注给返回式飞行器。

本实施例中，预测离轨时刻为某年某月某日12:00，预测离轨理论赤惯系位置为：

经计算，轨道预报误差Δ₁＝8km，并确定Δ_L＝10km。

第二步，确定自主允许离轨判断的时机T_CHK。

本实施例中，假设在离轨前开启相关设备的时间为5s，姿态调整时间为30s，则可以设置：

T_LG-T_CHK＝40s

即T_CHK为11:59:20。

第三步，在允许离轨判断时刻，获取返回式飞行器的赤惯系位置赤惯系速度

在允许离轨判断时刻，根据导航结果，记录返回式飞行器的赤惯系位置赤惯系速度

本实施例中，获取的返回式飞行器的赤惯系位置为：

赤惯系速度为：

第四步，计算允许离轨判断时刻瞬时轨道根数。

根据允许离轨判断时刻返回式飞行器的赤惯系位置赤惯系速度计算离轨判断时刻瞬时轨道根数(a,e,Ω,i,ω,M(T_CHK))。

其中，

a——半长轴；

e——偏心率；

Ω——升交点赤经；

i——轨道倾角；

ω——近地点幅角；

M(T_CHK)——允许离轨判断时刻的平近点角。

本实施例中，计算结果为：

a＝6653.4km；e＝0.0177；Ω＝1.1909rad；

i＝0.7178rad；ω＝3.1263rad；M(T_CHK)＝2.3513rad。

应说明的是，本发明中对计算离轨判断时刻瞬时轨道根数(a,e,Ω,i,ω,M(T_CHK))的方法并不限定，现有技术中能够实现计算离轨判断时刻瞬时轨道根数的方法都属于本发明的保护范围。

第五步，计算预测离轨时刻T_LG的赤惯系位置

根据离轨判断时刻瞬时轨道根数(a,e,Ω,i,ω,M(T_CHK))，计算预测离轨时刻T_LG的赤惯系位置

本实施中，具体计算结果为，返回式飞行器的赤惯系位置：

应说明的是，本发明中计算预测离轨时刻的赤惯系位置的方法并不限定，现有技术中能够实现计算预测离轨时刻的赤惯系位置的方法都属于本发明的保护范围。

第六步，判断是否允许离轨。

返回式飞行器计算机利用预测离轨时刻的赤惯系位置和理论赤惯系位置自主进行判断。

具体地，

若满足则允许离轨；

若满足则认为实际轨道与理论轨道偏差较大，不允许离轨。

在本实施例中，

因此，不允许离轨。

至此，完成了基于预测离轨点精度的自主允许离轨判断。

应说明的是，本发明中，离轨点精度位置门限Δ_L和轨道预报误差Δ₁的差值大于第一阈值。预测离轨时刻T_LG和自主允许离轨判断的时机T_CHK的差值(T_LG-T_CHK)与离轨前必要的准备时间为DT_Pre的差值大于第二阈值。

下面通过仿真验证该方法的可行性

假设预测离轨时刻预测离轨理论赤惯系位置为：

并假设在由于轨道预报计算的预测离轨点精度位置门限Δ_L＝10km，T_LG-T_CHK＝40s。则如果轨道没有偏差，则相关参数见图2。

由图2可知，由于预测离轨时刻的位置与预测离轨理论赤惯系位置差值均小于10km，满足允许离轨条件，可以离轨。

假设由于某种原因，导致轨道有偏差，则相关参数见图3。

由图3可知，在此次仿真中，由于轨道偏差，导致预测离轨时刻与预测离轨理论赤惯系位置差值在X方向和Y方向均超出了10km的门限，说明轨道产生了较为明显的偏差，按照程序设置，不允许离轨，表明了此方法的可行性。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种基于预测离轨点精度的自主允许离轨判断方法，其特征在于，所述自主允许离轨判断方法包括：

确定预测离轨时空点和离轨点精度位置门限，并上注给返回式飞行器；

确定自主允许离轨判断的时机；

在允许离轨判断时刻，获取返回式飞行器的赤惯系位置和赤惯系速度；

计算允许离轨判断时刻瞬时轨道根数；

计算预测离轨时刻的赤惯系位置；及

基于所述预测离轨时刻的赤惯系位置和理论赤惯系位置自主进行判断。

2.根据权利要求1所述的自主允许离轨判断方法，其特征在于，所述确定预测离轨时空点和离轨点精度位置门限，并上注给返回式飞行器包括：

基于返回式飞行器过测控站期间遥测的定轨数据计算预测离轨时刻T_LG、预测离轨理论赤惯系位置以及轨道预报误差Δ₁；

确定所述预测离轨时空点为

确定所述离轨点精度位置门限Δ_L，其中Δ_L＞Δ₁；及

将所述预测离轨时空点和所述离轨点精度位置门限Δ_L上注给所述返回式飞行器。

3.根据权利要求2所述的自主允许离轨判断方法，其特征在于，所述确定自主允许离轨判断的时机包括：

确定离轨前必要的准备时间为DT_Pre，所述离轨前必要的准备时间为DT_Pre至少包括开启相关设备时间和姿态调整时间；及

确定所述自主允许离轨判断的时机T_CHK，其中T_LG-T_CHK＞DT_Pre。

4.根据权利要求3所述的自主允许离轨判断方法，其特征在于，所述获取返回式飞行器的赤惯系位置和赤惯系速度包括：

在允许离轨判断时刻，根据导航结果，记录所述返回式飞行器的赤惯系位置赤惯系速度

5.根据权利要求4所述的自主允许离轨判断方法，其特征在于，所述计算允许离轨判断时刻瞬时轨道根数包括：

根据允许离轨判断时刻返回式飞行器的所述赤惯系位置和所述赤惯系速度计算离轨判断时刻瞬时轨道根数(a,e,Ω,i,ω,M(T_CHK))；

其中，a为半长轴，e为偏心率，Ω为升交点赤经，i为轨道倾角，ω为近地点幅角，M(T_CHK)为允许离轨判断时刻的平近点角。

6.根据权利要求5所述的自主允许离轨判断方法，其特征在于，所述计算预测离轨时刻的赤惯系位置包括：

根据所述离轨判断时刻瞬时轨道根数(a,e,Ω,i,ω,M(T_CHK))，计算预测离轨时刻T_LG的赤惯系位置

7.根据权利要求6所述的自主允许离轨判断方法，其特征在于，所述基于所述预测离轨时刻的赤惯系位置和理论赤惯系位置自主进行判断包括：

利用预测离轨时刻的所述赤惯系位置和所述理论赤惯系位置自主进行判断，其中

当时，则判断允许离轨；

当时，则判断不允许离轨。

8.根据权利要求2所述的自主允许离轨判断方法，其特征在于，所述离轨点精度位置门限Δ_L和所述轨道预报误差Δ₁的差值大于第一阈值。

9.根据权利要求3所述的自主允许离轨判断方法，其特征在于，所述预测离轨时刻T_LG和所述自主允许离轨判断的时机T_CHK的差值(T_LG-T_CHK)与所述离轨前必要的准备时间为DT_Pre的差值大于第二阈值。