CN112129318B - 一种基于加速度计反馈的火星探测轨道精确控制方法 - Google Patents

一种基于加速度计反馈的火星探测轨道精确控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于加速度计反馈的火星探测轨道精确控制方法。火星探测中由于器地距离远，采用地面测控进行轨道确定具有较大的时间延迟，火星探测的轨道控制中，地面无法及时确定变轨精度，而探测器在执行变轨过程中需要满足高精度高可靠的轨道控制要求。在探测器上安装加速度计，在执行变轨过程中，加速度计测量变轨过程中的加速度，加速度积分得到探测器变轨的速度增量，将变轨的实际速度增量与目标速度增量进行实时对比，修正探测器的目标姿态，从而修正实际的速度增量，以提高变轨的精度。本发明与现有技术相比，其效果是：将探测器在变轨过程中的速度增量引入轨道控制过程，提高变轨的控制精度。

Description

一种基于加速度计反馈的火星探测轨道精确控制方法
技术领域
本发明涉及一种基于加速度计反馈的火星探测轨道精确控制方法，用于满足深空探测高精度轨道控制需求，属于深空探测轨道控制技术领域。
背景技术
我国未来深空探测任务将重点开展月球永久阴影区探测、小行星采样返回探测、火星采样返回探测、木星系及行星际穿越探测、太阳系边际探测等一系列深空探测活动。而深空探测中轨道控制的精度影响着探测器的燃料消耗以及进入任务轨道的精度。
目前深空探测器中安装了加速度计对速度增量进行测量，但是加速度计的作用为关机时刻的参数，并未将速度增量引入闭环进行轨道控制，所以目前深空探测的轨道控制为开环控制，轨道控制精度完全由轨道控制前的测定轨精度决定，不能进行实施修正。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于加速度计反馈的火星探测轨道精确控制方法，加速度计对轨道控制期间的加速度测量值进行在轨积分得到速度矢量，利用速度增量的方向对目标姿态的方向进行在线修正，提高轨道控制精度。
本发明的技术解决方案是：一种基于加速度计反馈的火星探测轨道精确控制方法，该方法包括如下步骤：
(1)、根据加速度计测量得到的火星探测器在其本体坐标系下的加速度，计算从轨道控制开始时刻到当前轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下速度增量；
(2)、计算从轨道控制开始时刻到当前轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下速度增量与火星探测器目标姿态推力方向夹角，从而得到从轨道控制开始时刻到当前轨道控制周期速度增量方向与目标推力方向之间的偏差四元数；
(3)、利用从轨道控制开始时刻到当前轨道控制周期速度增量方向与目标推力方向之间的偏差四元数，对火星探测器目标四元数进行修正；
(4)、利用修正后火星探测器目标四元数，进行火星探测轨道精确控制。
所述步骤(1)的具体实现为：
(1.1)、获取加速度计测量得到的当前轨道控制周期火星探测器在其本体坐标系下的加速度；
(1.2)、将加速度计测量得到的当前轨道控制周期火星探测器在其本体坐标系下的加速度转化为当前轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下的加速度；
(1.3)、将火星探测器在惯性坐标系下的加速度进行累加，计算得到从轨道控制开始时刻到当前轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下的速度增量。
所述步骤(1.2)的计算公式为：
Figure GDA0003776005170000021
其中，aINSx为当前轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下的加速度x方向分量；aINSy为当前轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下速度增量y方向分量；aINSz为当前轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下速度增量z方向分量；
ax为加速度计测量得到的当前轨道控制周期火星探测器在其本体坐标系下的加速度x方向分量；ay为加速度计测量得到的当前轨道控制周期火星探测器在其本体坐标系下的加速度y方向分量；az为加速度计测量得到的当前轨道控制周期火星探测器在其本体坐标系下的加速度z方向分量；
Figure GDA0003776005170000022
为火星探测器本体坐标系到惯性坐标系的转换矩阵。
所述火星探测器本体坐标系到惯性坐标系的转换矩阵
Figure GDA0003776005170000023
为：
Figure GDA0003776005170000031
其中qbi＝[q0 q1 q2 q3]为当前探测器的惯性四元数。
所述步骤(1.3)的计算公式为：
ΔVINSx(k)＝ΔVINSx(k-1)+aINSx×T
ΔVINSy(k)＝ΔVINSy(k-1)+aINSy×T
ΔVINSz(k)＝ΔVINSz(k-1)+aINSz×T
其中：ΔVINSx(k)为从轨道控制开始时刻到第k个轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下x方向的速度增量；ΔVINSy(k)为从轨道控制开始时刻到第k个轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下y方向的速度增量；ΔVINSz(k)为从轨道控制开始时刻到第k个轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下z方向的速度增量；ΔVINSx(k-1)为从轨道控制开始时刻到第k-1个轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下x方向的速度增量；ΔVINSy(k-1)为从轨道控制开始时刻到第k-1个轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下y方向的速度增量；ΔVINSz(k-1)为从轨道控制开始时刻到第k-1个轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下z方向的速度增量；aINSx为当前轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下速度增量；aINSy为当前轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下速度增量；aINSz为当前轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下速度增量；T为火星探测器的轨道控制周期。
所述惯性坐标系下目标推力方向与速度增量方向夹角Δθ的计算公式为：
Figure GDA0003776005170000032
其中，
Figure GDA0003776005170000033
为从轨道控制开始时刻到第k个轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下的速度增量，
Figure GDA0003776005170000034
Figure GDA0003776005170000035
为目标推力方向在惯性坐标系下的矢量。
所述目标推力方向与速度增量方向的偏差四元数Δq为：
Figure GDA0003776005170000041
Figure GDA0003776005170000042
其中：E1 E2 E3分别为目标推力方向与速度增量方向组成平面的单位法向量
Figure GDA0003776005170000043
在惯性坐标系下x方向、y方向和z方向的分量，即：
Figure GDA0003776005170000044
所述步骤(3)中采用偏差四元数对轨道控制期间的目标四元数进行修正的方法为：
Figure GDA0003776005170000045
其中，Δqbo为火星探测器的目标四元数，qb′o为修正后的火星探测器的目标四元数。
所述惯性坐标系为J2000坐标系、地心平赤道惯性坐标系、火星惯性坐标系。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)、本发明利用加表的输出的加速度积分得到速度增量，速度增量方向与目标速度增量的方向修正探测器的姿态，以减小实际的速度增量方向与目标速度增量方向的偏差，提高了深空探测轨道控制的精度；
(2)、本发明采用了将速度增量的方向引入控制的方法修正探测器的姿态，该方法实现了速度增量方向的闭环控制，将实际轨道控制执行的速度增量方向进行在线修正，以提高与目标速度增量方向的偏差，提高了轨道控制精度。
(3)、本发明采用了加表的输出进行累加得到轨道控制的速度增量，这个方式实现轨道控制期间速度增量的实时计算。
附图说明
图1为本发明实施例基于加速度计反馈的火星探测轨道精确控制方法流程图；
图2为本发明实施例坐标系及速度增量关系；
图3为本发明实施例修正后的姿态基准。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明提供了一种基于加速度计反馈的火星探测轨道精确控制方法的具体实施例，该方法包括如下步骤：
(1)、根据加速度计测量得到的火星探测器在其本体坐标系下的加速度，计算从轨道控制开始时刻到当前轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下速度增量；具体实现为：
(1.1)、获取加速度计测量得到的当前轨道控制周期火星探测器在其本体坐标系下的加速度；
(1.2)、将加速度计测量得到的当前轨道控制周期火星探测器在其本体坐标系下的加速度转化为当前轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下的加速度；所述惯性坐标系为J2000坐标系、地心平赤道惯性坐标系、火星惯性坐标系。
具体计算公式为：
Figure GDA0003776005170000051
其中，aINSx为当前轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下的加速度x方向分量；aINSy为当前轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下速度增量y方向分量；aINSz为当前轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下速度增量z方向分量；
ax为加速度计测量得到的当前轨道控制周期火星探测器在其本体坐标系下的加速度x方向分量；ay为加速度计测量得到的当前轨道控制周期火星探测器在其本体坐标系下的加速度y方向分量；az为加速度计测量得到的当前轨道控制周期火星探测器在其本体坐标系下的加速度z方向分量；
Figure GDA0003776005170000052
为火星探测器本体坐标系到惯性坐标系的转换矩阵，计算公式为：
Figure GDA0003776005170000061
其中qbi＝[q0 q1 q2 q3]为当前探测器的惯性四元数。
(1.3)、将火星探测器在惯性坐标系下的加速度进行累加，计算得到从轨道控制开始时刻到当前轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下的速度增量。
计算公式为：
ΔVINSx(k)＝ΔVINSx(k-1)+aINSx×T
ΔVINSy(k)＝ΔVINSy(k-1)+aINSy×T
ΔVINSz(k)＝ΔVINSz(k-1)+aINSz×T
其中：ΔVINSx(k)为从轨道控制开始时刻到第k个轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下x方向的速度增量；ΔVINSy(k)为从轨道控制开始时刻到第k个轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下y方向的速度增量；ΔVINSz(k)为从轨道控制开始时刻到第k个轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下z方向的速度增量；ΔVINSx(k-1)为从轨道控制开始时刻到第k-1个轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下x方向的速度增量；ΔVINSy(k-1)为从轨道控制开始时刻到第k-1个轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下y方向的速度增量；ΔVINSz(k-1)为从轨道控制开始时刻到第k-1个轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下z方向的速度增量；aINSx为当前轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下速度增量；aINSy为当前轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下速度增量；aINSz为当前轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下速度增量；T为火星探测器的轨道控制周期。
(2)、计算从轨道控制开始时刻到当前轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下速度增量与火星探测器目标姿态推力方向夹角Δθ，从而得到从轨道控制开始时刻到当前轨道控制周期速度增量方向与目标推力方向之间的偏差四元数；
所述惯性坐标系下目标推力方向与速度增量方向夹角Δθ的计算公式为：
Figure GDA0003776005170000071
其中，
Figure GDA0003776005170000072
为从轨道控制开始时刻到第k个轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下的速度增量，
Figure GDA0003776005170000073
Figure GDA0003776005170000074
为目标推力方向在惯性坐标系下的矢量。
(3)、利用从轨道控制开始时刻到当前轨道控制周期速度增量方向与目标推力方向之间的偏差四元数，对火星探测器目标四元数进行修正；
所述目标推力方向与速度增量方向的偏差四元数Δq为：
Figure GDA0003776005170000075
Figure GDA0003776005170000076
其中：E1 E2 E3分别为目标推力方向与速度增量方向组成平面的单位法向量
Figure GDA0003776005170000077
在惯性坐标系下x方向、y方向和z方向的分量，即：
Figure GDA0003776005170000078
采用偏差四元数对轨道控制期间的目标四元数进行修正的方法为：
Figure GDA0003776005170000079
其中，Δqbo为火星探测器的目标四元数，qb′o为修正后的火星探测器的目标四元数。
(4)、利用修正后火星探测器目标四元数，进行火星探测轨道精确控制。
本步骤可以采用双关机策略进行轨道控制，轨控过程将加速度信息引入闭环控制，利用速度增量的反向修正目标姿态，减小探测器最终产生的实际速度增量方向与目标速度增量方向误差。
实施例：
以下以J2000惯性坐标系为例，对本发明提供的一种基于加速度计反馈的火星探测轨道精确控制方法进行说明，本实施例中主要包括如下步骤：
1)、探测器在J2000惯性坐标系中的速度增量计算。
由当前探测器的惯性四元数qbi求转化矩阵
Figure GDA0003776005170000081
Figure GDA0003776005170000082
其中qbi＝[q0 q1 q2 q3]
将深空探测器本体系下的加速度转化为J2000惯性系下的加速度
Figure GDA0003776005170000083
将J2000系下的加速度进行累加计算得到J2000系下的速度增量：
ΔVJ2000x(k)＝ΔVJ2000x(k-1)+aJ2000x×T
ΔVJ2000y(k)＝ΔVJ2000y(k-1)+aJ2000y×T
ΔVJ2000z(k)＝ΔVJ2000z(k-1)+aJ2000z×T
其中，T为探测器的控制周期。
2)计算偏差四元数
定义目标推力方向在J2000坐标系下为
Figure GDA0003776005170000084
则计算J2000坐标系下目标推力方向与速度增量方向的夹角为：
Figure GDA0003776005170000085
计算目标推力方向与速度增量方向的偏差四元数：
Figure GDA0003776005170000086
Figure GDA0003776005170000087
3)、修正目标姿态
将计算得到的偏差四元数对轨道控制期间的目标四元数进行修正：
Figure GDA0003776005170000088
其中，Δqbo为探测器的目标四元数，qb′o为修正后的目标四元数。
4)、利用修正后火星探测器目标四元数，进行火星探测轨道精确控制。
实施例：
如图3所示，本发明某一具体实施例中，轨控前5min进入200ms喷气惯性保持模式，速度增量开始累加，3000N开机时开启加速度计反馈控制算法，对姿态进行补偿，则3000N开机时的控制用基准跳变，该跳变角度为加表反馈的姿态偏差，对控制基准进行修正。
本说明书中未进行详细描述部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (9)

1.一种基于加速度计反馈的火星探测轨道精确控制方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)、根据加速度计测量得到的火星探测器在其本体坐标系下的加速度，计算从轨道控制开始时刻到当前轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下速度增量；
(2)、计算从轨道控制开始时刻到当前轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下速度增量与火星探测器目标姿态推力方向夹角，从而得到从轨道控制开始时刻到当前轨道控制周期速度增量方向与目标推力方向之间的偏差四元数；
(3)、利用从轨道控制开始时刻到当前轨道控制周期速度增量方向与目标推力方向之间的偏差四元数，对火星探测器目标四元数进行修正；
(4)、利用修正后火星探测器目标四元数，进行火星探测轨道精确控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于加速度计反馈的火星探测轨道精确控制方法，其特征在于所述步骤(1)的具体实现为：
(1.1)、获取加速度计测量得到的当前轨道控制周期火星探测器在其本体坐标系下的加速度；
(1.2)、将加速度计测量得到的当前轨道控制周期火星探测器在其本体坐标系下的加速度转化为当前轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下的加速度；
(1.3)、将火星探测器在惯性坐标系下的加速度进行累加，计算得到从轨道控制开始时刻到当前轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下的速度增量。
3.根据权利要求2所述的一种基于加速度计反馈的火星探测轨道精确控制方法，其特征在于所述步骤(1.2)的计算公式为：
Figure FDA0003784442410000011
其中，aINSx为当前轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下的加速度x方向分量；aINSy为当前轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下速度增量y方向分量；aINSz为当前轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下速度增量z方向分量；
ax为加速度计测量得到的当前轨道控制周期火星探测器在其本体坐标系下的加速度x方向分量；ay为加速度计测量得到的当前轨道控制周期火星探测器在其本体坐标系下的加速度y方向分量；az为加速度计测量得到的当前轨道控制周期火星探测器在其本体坐标系下的加速度z方向分量；
Figure FDA0003784442410000021
为火星探测器本体坐标系到惯性坐标系的转换矩阵。
4.根据权利要求3所述的一种基于加速度计反馈的火星探测轨道精确控制方法，其特征在于所述火星探测器本体坐标系到惯性坐标系的转换矩阵
Figure FDA0003784442410000022
为：
Figure FDA0003784442410000023
其中qbi＝[q0q1q2q3]为当前探测器的惯性四元数。
5.根据权利要求2所述的一种基于加速度计反馈的火星探测轨道精确控制方法，其特征在于所述步骤(1.3)的计算公式为：
ΔVINSx(k)＝ΔVINSx(k-1)+aINSx×T
ΔVINSy(k)＝ΔVINSy(k-1)+aINSy×T
ΔVINSz(k)＝ΔVINSz(k-1)+aINSz×T
其中：ΔVINSx(k)为从轨道控制开始时刻到第k个轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下x方向的速度增量；ΔVINSy(k)为从轨道控制开始时刻到第k个轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下y方向的速度增量；ΔVINSz(k)为从轨道控制开始时刻到第k个轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下z方向的速度增量；ΔVINSx(k-1)为从轨道控制开始时刻到第k-1个轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下x方向的速度增量；ΔVINSy(k-1)为从轨道控制开始时刻到第k-1个轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下y方向的速度增量；ΔVINSz(k-1)为从轨道控制开始时刻到第k-1个轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下z方向的速度增量；aINSx为当前轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下速度增量；aINSy为当前轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下速度增量；aINSz为当前轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下速度增量；T为火星探测器的轨道控制周期。
6.根据权利要求1所述的一种基于加速度计反馈的火星探测轨道精确控制方法，其特征在于所述惯性坐标系下目标推力方向与速度增量方向夹角Δθ的计算公式为：
Figure FDA0003784442410000031
其中，
Figure FDA0003784442410000032
为从轨道控制开始时刻到第k个轨道控制周期火星探测器在惯性坐标系下的速度增量，
Figure FDA0003784442410000033
Figure FDA0003784442410000034
为目标推力方向在惯性坐标系下的矢量。
7.根据权利要求1所述的一种基于加速度计反馈的火星探测轨道精确控制方法，其特征在于所述目标推力方向与速度增量方向的偏差四元数Δq为：
Figure FDA0003784442410000035
Figure FDA0003784442410000036
其中：E1E2E3分别为目标推力方向与速度增量方向组成平面的单位法向量
Figure FDA0003784442410000037
在惯性坐标系下x方向、y方向和z方向的分量，即：
Figure FDA0003784442410000038
8.根据权利要求7所述的一种基于加速度计反馈的火星探测轨道精确控制方法，其特征在于所述步骤(3)中采用偏差四元数对轨道控制期间的目标四元数进行修正的方法为：
Figure FDA0003784442410000039
其中，Δqbo为火星探测器的目标四元数，qb′o为修正后的火星探测器的目标四元数。
9.根据权利要求1所述的一种基于加速度计反馈的火星探测轨道精确控制方法，其特征在于所述惯性坐标系为J2000坐标系、地心平赤道惯性坐标系或者火星惯性坐标系。
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