CN111409864A - 一种编队卫星系统星间气动外形差异在轨标定方法 - Google Patents

Abstract

一种编队卫星系统星间气动外形差异在轨标定方法，通过GNSS对编队卫星的实时相对测量，获取所需编队主星与编队辅星的实时星上数据，通过计算确定当前时刻每颗卫星的星间气动外形差异值进行卫星的气动外形在轨标定，解决了编队卫星星间气动外形差异定量辨识与评估需求，进一步提升编队卫星在轨任务运行的品质提供保障，星间气动外形差异在轨标定方法全过程清晰，方法简单可靠，计算精度更高。

Description

一种编队卫星系统星间气动外形差异在轨标定方法

技术领域

本发明涉及一种编队卫星系统星间气动外形差异在轨标定方法，属于编队卫星技术领域。

背景技术

随着编队卫星任务不断在轨成功应用以及应用任务复杂度、需求的持续提升，编队卫星系统控制任务将会面临着高控制精度、高控制精度稳定度以及长寿命等方面压力。

近距离绕飞编队的控制精度影响因素复杂，主要包括测量敏感器的测量误差、动力学模型误差以及执行机构相关误差等。实际上，现有研究成果对于星间气动外形差异的影响往往在做出编队卫星多星外形一致的假定约束后作为小量而忽略。实际上，由于卫星在发射前往往处于收拢状态，卫星在轨运行实际气动外形无法像质量一样在发射入轨前精确获得，卫星气动外形往往是理论计算值。随着用户需求对编队控制精度以及稳定性要求越来越高时，编队卫星之间星间气动外形差异的影响就变得不可忽略。编队卫星之间星间气动外形差异高精度标定能够为后续燃料均衡管理以及主辅星切换等在轨任务规划提供决策判据条件。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，缺少满足用户需求的能够降低编队卫星之间星间气动外形差异对卫星编队影响控制技术的问题，提出了一种编队卫星系统星间气动外形差异在轨标定方法。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种编队卫星系统星间气动外形差异在轨标定方法，步骤如下：

(1)编队辅星根据星载GNSS接收机输出本星相对编队主星的实时测量信息，获取当前相对半长轴Δa_i，计算相对半长轴变化率K_Δa_i；

(2)地面系统连续采集编队卫星非编队控制时间段内每颗卫星下传的气瓶、推进剂贮箱的压力及温度实时测量数据，计算每颗卫星的燃料剩余量，并根据卫星发射前称重获取的卫星干质量，计算每颗卫星当前实际卫星质量；

(3)依据步骤(2)获取的每颗卫星当前实际卫星质量，计算第i个编队辅星相对编队主星的相对质量偏差绝对值；

(4)当第i个编队辅星与编队主星的相对质量偏差绝对值R_Mi小于阈值时，根据步骤(1)所得半长轴差值变化率K_Δa_i与步骤(2)所得编队主星实际质量，进行第i个编队辅星与编队主星之间星间气动外形标定。

所述步骤(1)中，半长轴差值变化率K_Δa_i的计算方法为：

式中，Δa_i为第i颗编队辅星半长轴与编队主星半长轴的差值；T为第i颗编队辅星当前星上时间；N为相对半长轴Δa_i的计算次数；N₀为调节参数，i表示编队辅星卫星标号。

所述步骤(3)中，第i个编队辅星相对编队主星的相对质量偏差绝对值R_Mi计算方法如下:

R_Mi＝|M_i-M₀|/M₀

其中，M₀为编队主星当前实际质量；M_i为第i个编队辅星当前实际质量，其中，i为正整数。

所述步骤(4)中，当第i个编队辅星与编队主星的相对质量偏差绝对值R_Mi大于等于阈值时，不进行编队卫星星间气动外形差异在轨标定计算，则无需标定。

所述步骤(4)中，进行第i个编队辅星与编队主星之间星间气动外形标定的具体算法为：

式中，ΔS_i为第i个编队辅星相对编队主星的星间气动外形差异值，C_D为阻力系数常数，ρ为平均大气密度，M₀为编队主星当前实际质量，μ_E为地球重力常数，a₀为编队主星半长轴。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明提供的一种编队卫星系统星间气动外形差异在轨标定方法，根据编队主星及编队辅星实时卫星质量及两星的半长轴差值对每颗卫星的星间气动外形差异值进行计算，解决了编队卫星之间星间气动外形差异定量辨识与评估需求，为进一步提升编队卫星在轨任务运行的品质提供保障，能够进行在轨自主运行，且算法可实现性强，星间气动外形差异在轨标定方法全过程清晰，意义明确，无复杂算法，无新增硬件，方法简单可靠，计算精度更高。

附图说明

图1为发明提供的星间气动外形差异在轨标定流程图；

具体实施方式

一种编队卫星系统星间气动外形差异在轨标定方法，通过编队卫星携带的GNSS接收机获取所需编队之间实时相对状态数据，同时通过计算卫星相对半长轴波动变化斜率以及卫星当前质量进行卫星的气动外形在轨标定，其中，所需编队之间实时相对状态数据又称编队构形参数，可参见编队卫星相关技术文献，如图1所示，具体步骤为：

(1)编队辅星根据星载GNSS接收机输出实时本星相对编队主星的测量信息，获取当前相对半长轴Δa_i，按照下式计算相对半长轴变化率K_Δa_i：

式中，Δa_i为第i颗编队辅星半长轴与编队主星半长轴的差值，即(a_i-a₀)；T为第i颗编队辅星当前星上时间；N为相对半长轴Δa_i的计算次数，第一次计算时刻为T(1)，计算出的半长轴差值记为Δa_i(1)，第N次计算时刻为T(N)，计算出的半长轴差值记为Δa_i(N)；N₀为调节参数，用于控制星上计算K_Δa_i需要的Δai最小次数，有利于保证K_Δa_i计算精度，主要考虑到编队控制完成后Δa_i需要一段时间获取准确值，一般不小于21，可以由地面上注卫星进行设置修改；此外，i表示编队辅星卫星标号，i＝1，2，……。

(2)地面系统连续采集编队卫星非编队控制时间段内每颗卫星下传的气瓶、推进剂贮箱的压力及温度等多组实时测量数据，利用常用的“压力—体积—温度的PVT法+最小二乘或者卡尔曼等滤波”计算每颗卫星的燃料剩余量M_ri，然后结合卫星发射前称重获取的卫星干质量M_gi，计算每颗卫星当前实际卫星质量M_i。

(3)依据步骤(2)获取的每颗卫星的实际质量，按照下式计算第i个编队辅星相对编队主星的相对质量偏差绝对值R_Mi:

R_Mi＝|M_i-M₀|/M₀,i＝1,2,3......

其中，M₀表示编队主星当前实际质量；M_i表示第i个编队辅星当前实际质量。

(4)当第i个编队辅星与编队主星的相对质量偏差绝对值R_Mi小于阈值时，根据步骤(1)所得半长轴差值变化率K_Δa_i与步骤(2)所得编队主星实际质量，按照下式进行第i个编队辅星与编队主星之间星间气动外形标定计算：

式中，ΔS_i为第i个编队辅星相对编队主星的星间气动外形差异值；C_D为阻力系数常数,一般取2.1～2.3；ρ为平均大气密度，可以根据地面站对编队主星的半长轴衰减变化进行预估；M₀为依据步骤(3)计算出的编队主星当前实际质量；μ_E为地球重力常数，3986004.4×10⁸m³/s²；a₀为编队主星半长轴。

其中，相对质量偏差阈值可以根据卫星实际状态、软硬件能力进行配置，典型值为1％，当相对质量偏差绝对值R_Mi大于等于阈值时，无需进行标定。

下面结合具体实施例进行进一步说明：

为了便于说明，在本实施例中，考虑双星编队状态，具备拓展到多星编队的能力。

首先，编队辅星根据星载GNSS接收机实时测量信息，计算获得相对半长轴变化率K_Δa为0.5/86400m/s；

其次，经过多组数据计算，编队主星实际质量为500kg；编队辅星实际质量为499kg；

最后，根据编队主星在轨半长轴平均衰减率预估的平均大气密度为1.2×10^-13kg/m³；C_D取2.2；μ为3986004.4×10⁸m³/s²；a₀为7000000m；编队辅星与编队主星之间星间气动外形标定计算结果ΔS为-0.2m²，即编队辅星相对编队主星的气动外形偏差为-0.2m²。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种编队卫星系统星间气动外形差异在轨标定方法，其特征在于步骤如下：

(1)编队辅星根据星载GNSS接收机输出本星相对编队主星的实时测量信息，获取当前相对半长轴Δa_i，计算相对半长轴变化率K_Δa_i；

(2)地面系统连续采集编队卫星非编队控制时间段内每颗卫星下传的气瓶、推进剂贮箱的压力及温度实时测量数据，计算每颗卫星的燃料剩余量，并根据卫星发射前称重获取的卫星干质量，计算每颗卫星当前实际卫星质量；

(3)依据步骤(2)获取的每颗卫星当前实际卫星质量，计算第i个编队辅星相对编队主星的相对质量偏差绝对值；

(4)当第i个编队辅星与编队主星的相对质量偏差绝对值R_Mi小于阈值时，根据步骤(1)所得半长轴差值变化率K_Δa_i与步骤(2)所得编队主星实际质量，进行第i个编队辅星与编队主星之间星间气动外形标定。

2.根据权利要求1所述的一种编队卫星系统星间气动外形差异在轨标定方法，其特征在于：所述步骤(1)中，半长轴差值变化率K_Δa_i的计算方法为：

式中，Δa_i为第i颗编队辅星半长轴与编队主星半长轴的差值；T为第i颗编队辅星当前星上时间；N为相对半长轴Δa_i的计算次数；N₀为调节参数，i表示编队辅星卫星标号。

3.根据权利要求1所述的一种编队卫星系统星间气动外形差异在轨标定方法，其特征在于：所述步骤(3)中，第i个编队辅星相对编队主星的相对质量偏差绝对值R_Mi计算方法如下:

R_Mi＝|M_i-M₀|/M₀

其中，M₀为编队主星当前实际质量；M_i为第i个编队辅星当前实际质量，其中，i为正整数。

4.根据权利要求1所述的一种编队卫星系统星间气动外形差异在轨标定方法，其特征在于：所述步骤(4)中，当第i个编队辅星与编队主星的相对质量偏差绝对值R_Mi大于等于阈值时，不进行编队卫星星间气动外形差异在轨标定计算，则无需标定。

5.根据权利要求1所述的一种编队卫星系统星间气动外形差异在轨标定方法，其特征在于：所述步骤(4)中，进行第i个编队辅星与编队主星之间星间气动外形标定的具体算法为：

式中，ΔS_i为第i个编队辅星相对编队主星的星间气动外形差异值，C_D为阻力系数常数，ρ为平均大气密度，M₀为编队主星当前实际质量，μ_E为地球重力常数，a₀为编队主星半长轴。

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