面向星下點軌跡自主維持的星載軟件算法與實現(xiàn)

侯文才，李志武，張潤寧，李國軍

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京100094)

面向星下點軌跡自主維持的星載軟件算法與實現(xiàn)

侯文才，李志武，張潤寧，李國軍

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京100094)

為實現(xiàn)單星星下點軌跡維持和保持編隊衛(wèi)星間構(gòu)型關(guān)系，提供了星載軟件解決方案.給出了衛(wèi)星漂移模型，并研究了軌控實施策略、軌跡實時匹配等關(guān)鍵技術(shù).依托星務(wù)硬件平臺，通過軟件實現(xiàn)了樣本信息處理、控制策略決斷、狀態(tài)自主設(shè)置、軌控參數(shù)計算等控制過程.以軌道仿真數(shù)據(jù)為輸入，對軟件輸出與理論結(jié)果進行了比較，驗證了軌控軟件實現(xiàn)的可行性、正確性.自主軌道維持技術(shù)將進一步提升衛(wèi)星的智能化、自動化水平.

編隊衛(wèi)星;自主;軌道維持

0 引言

為了使編隊飛行衛(wèi)星彼此間的相位、距離關(guān)系保持在合理范圍內(nèi)，要求對衛(wèi)星進行頻繁的軌道調(diào)整維護;隨著在軌運行衛(wèi)星的不斷增多，地面測控系統(tǒng)的任務(wù)日益繁重，甚至會發(fā)生測控任務(wù)的沖突;而且由于衛(wèi)星軌道形狀、方位、任務(wù)特點不同，部分衛(wèi)星難以利用傳統(tǒng)的過境測控方式實現(xiàn)最優(yōu)點控制.在國際上，基于軌道維持的自主控制技術(shù)已經(jīng)在多型號中應(yīng)用，典型實例是歐洲空間局(ESA)發(fā)射的重力場探測衛(wèi)星(GOCE)［1］.但國內(nèi)在這方面的研究起步相對較晚.針對以上問題，本文在衛(wèi)星軌道自主智能控制方面進行了一些探索研究和驗證工作，以提高未來衛(wèi)星的自動化和智能化水平.

1 軌道維持任務(wù)目標

衛(wèi)星長期在軌運行受到地球非球形攝動、大氣阻力攝動、日月引力攝動和太陽光壓攝動等多種因素的影響.而對于近地軌道的小衛(wèi)星而言，大氣阻力攝動是引起衛(wèi)星軌道半長軸不斷變化，星下點軌跡漂移的主因［2］.為了適應(yīng)不同的任務(wù)目標，衛(wèi)星編隊飛行可以有多種構(gòu)型.本文以在太陽同步軌道上串行編隊飛行的兩顆衛(wèi)星(A星、B星)為例［3］，開展研究工作.編隊衛(wèi)星軌道維持以單星星下點軌跡維持在標稱軌跡±ΔL km為主要任務(wù)，以兩星保持地面軌間距為2ΔL km為次要任務(wù).根據(jù)軌道漂移原理，衛(wèi)星實現(xiàn)主要任務(wù)時，通過在邊界進行多次小量軌道控制，等待另一顆星靠近同一邊界后，兩星再同步開始起漂.該方式可以定期修正兩者同步漂移的差異，以盡可能達到兩者地面軌跡間距接近2ΔL km的效果.編隊飛行衛(wèi)星載荷系統(tǒng)需要在陸地上空連續(xù)執(zhí)行任務(wù)，期間不能實施軌道機動.

2 編隊軌道維持算法

2.1 建立漂移規(guī)律算法模型

根據(jù)低軌衛(wèi)星軌跡漂移的天體運動規(guī)律，降軌過赤道星下點軌跡漂移趨勢服從二次曲線數(shù)學模型y=A+Bx+Cx2.其中，x表示衛(wèi)星相對第一次降軌過赤道時刻的時間間隔，y表示相對于標稱軌跡的星下點軌跡偏差［4］.

衛(wèi)星相鄰兩次軌道控制過程結(jié)束之間的時間間隔視為一個漂移周期.以漂移周期內(nèi)的第一次降軌過赤道的時間T0為起始，那么每次降軌過赤道的時間Ti相對T0時間間隔為xi;每次降軌過赤道的星下點位置與距離其最近的標稱軌跡的差值為yi;其中，i為本漂移周期內(nèi)降軌過赤道的次數(shù).可以建立精確的解算模型，求算二次曲線的A、B、C系數(shù)［4］.

2.2 軌控時機選擇策略

(1)西邊界軌控策略

在理想情況下，軌跡漂至西邊界時半長軸正好下降到標稱值，從而轉(zhuǎn)向東漂移.如果受太陽活動減弱，大氣密度降低等情況發(fā)生軌跡漂越西邊界的情況時，需要在西邊界做一次減速機動.

在向西漂移過程中，根據(jù)不同的預(yù)報結(jié)果，在西邊界可能會出現(xiàn)如下兩種工況:預(yù)報衛(wèi)星向西最遠漂移的距離不會超過ΔL，如圖1所示，則不必在西邊界進行軌道控制;預(yù)報衛(wèi)星向西最遠漂移會超過ΔL，如圖2所示，則在西邊界進行減速降軌操作，將衛(wèi)星高度從2a處降至2b;

圖1 向西漂移不超出西邊界示意圖Fig.1Sketch map of drifting inside in west

圖2 向西漂移超出西邊界示意圖Fig.2Sketch map of drifting outside in west

(2)東邊界軌控策略

衛(wèi)星經(jīng)過西邊界后，向東漂移過程中，開始對其到達東邊界的時間進行預(yù)報.在到達東邊界前，選擇合適時機進行加速升軌操作.單星執(zhí)行升軌操作是編隊控制的主任務(wù)，但同時還需要保持與另一顆衛(wèi)星間具有合理構(gòu)型關(guān)系.如，A星在東邊界選擇升軌控制時機時，要以B星當前漂移方向及位置為約束條件.1)B星向西漂移;或向東漂移，但未通過標稱軌跡，如圖3所示.

2)B星向東漂移，已超過標稱軌跡，如圖4所示.

A星本漂移周期內(nèi)第一次漂移至東邊界3前，若B星符合條件1(圖3)，則A星進入漂移等待模式一，即只進行小幅度升軌操作，軌道高度從3處升高至4處.待衛(wèi)星下次漂移到東邊界5處前，若B星符合條件1，則A星進入漂移等待模式二，進行小幅度升軌操作，加速升軌至4處;待A星再次漂移至東邊界5前，若判斷B星符合1，則再次進入漂移等待模式二;若B星符合2，則A星進入漂移等待模式三，軌道高度從5處升至1處，結(jié)束本周期內(nèi)的軌道控制.

圖3 A星在東邊界漂移等待示意圖Fig.3Sketch map for A waiting on east

A星本周期內(nèi)第一次漂移至東邊界3前，若B星符合2，如圖4所示，則A星進入東邊界無需等待模式，軌道高度由3處升至1處，完成本周期內(nèi)的軌道控制.

但正如賀衛(wèi)方教授所言，西方法律術(shù)語浸潤著西方的文化精神，其漢譯正可視為西方法律理念對使用者的控制過程(王健2001：序3)。與此同時，使用者竭力固守傳統(tǒng)文化的努力也不容小覷。

圖4 A星在東邊界無需等待示意圖Fig.4Sketch map for A no-waiting on east

(3)軌道實時匹配算法

衛(wèi)星在東西邊界進行軌控時機選擇時，除考慮上述因素外，還要盡量保證載荷任務(wù)的連續(xù)性.軌道維持控制過程只能選擇在不執(zhí)行載荷任務(wù)的海洋上空進行.

合理選擇控制弧段，以確保在海洋上空有足夠的時間段(N分鐘)完成軌道機動.本文采用軌道實時匹配算法.利用星下點軌跡對地球表面進行等間距劃分，共分為360條參考軌跡(相鄰軌跡的間隔為1°).地面確定每條參考軌跡內(nèi)是否有滿足持續(xù)過海洋時間大于N分鐘的弧段，并設(shè)置可否進行軌道控制的標識.衛(wèi)星在軌匹配出與當前運行軌跡距離最近的參考軌跡，通過檢查該參考軌跡的標識，決定是否在本軌內(nèi)實施機動控制.

2.3 速度增量計算

在衛(wèi)星實行軌道機動前，需要計算消除軌道偏差應(yīng)獲取的速度增量.軌控系統(tǒng)以速度增量為輸入，產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖推力，將衛(wèi)星推送至目標軌道.速度增量的計算結(jié)果Δv與變軌時的衛(wèi)星飛行速度v、地面定期上注的優(yōu)化基準半長軸a、最新一次上注的精軌半長軸a0、允許漂移的最大距離ΔL、控制時刻與最近上注精軌時刻的差值Δt、點火時刻地面軌跡與標稱軌跡的偏差y、地球赤道半徑RE等多個變量有關(guān)［6］.針對函數(shù)關(guān)系Δv=f(v，a，a0，C，ΔL，Δt，y，RE)，建立精確的解算模型，求解出軌道機動所需的速度增量大小.

3 軌道自主維持軟件實現(xiàn)

軌道自主維持實施過程涉及實時獲取本星與他星位置信息、準確采集動力部件溫度、統(tǒng)一分配指令任務(wù)等多個環(huán)節(jié)，與星務(wù)、姿控、導(dǎo)航、星間、熱控等多個分系統(tǒng)具有接口關(guān)系.現(xiàn)就漂移過程控制、軌跡查找表管理、信息流管理等幾個軟件實現(xiàn)關(guān)鍵點進行介紹.

3.1 漂移過程控制

軌道維持軟件以時間刻度為主軸，將漂移、變軌過程劃分為樣本采集及預(yù)處理、西邊界軌控時機選擇、東邊界軌控時機選擇、控前狀態(tài)設(shè)置、噴氣機動實施、控后狀態(tài)恢復(fù)等幾個階段.其中，軌控時機選擇是最為復(fù)雜的環(huán)節(jié).隨著樣本數(shù)據(jù)進行不斷迭代推算，衛(wèi)星在東西邊界可能會經(jīng)歷以下幾種模式:西邊界無操作模式、西邊界降軌模式、東邊界無需等待模式、東邊界漂移等待模式一、漂移等待模式二及漂移等待模式三等.各模式間轉(zhuǎn)移關(guān)系如圖5所示.除西邊界無需操作模式外，在其他模式下，軌控參數(shù)的確定流程如圖6所示.

圖5 衛(wèi)星漂移過程狀態(tài)遷移圖Fig.5State transferring in drifting process

3.2 軌跡查找表管理

為了實現(xiàn)軌道實時匹配算法，以軌道信息、過海洋時間大于N分鐘弧段的標志、控制起始點相對于過赤道的時間間隔作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，在星上建立星下點參考軌跡查找表，如表1所示.在軌控時機選擇時，軟件通過快速查表，匹配出與本次降軌過赤道星下點距離最近的參考軌跡，檢查該軌跡周期內(nèi)是否有連續(xù)過海洋上空大于N分鐘的弧段.如果Flag= 1，則根據(jù)當次降軌過赤道的星時Ti和相對時間ΔT，計算出點火時刻(Ti+ΔT);如果Flag=0，則不執(zhí)行操作，待下一次降軌過赤道后重新進行判斷、計算.

圖6 不同模式下軌控參數(shù)確定流程Fig.6Process for control parameter determination under different modes

表1 參考軌跡查找表Tab.1Looking-up table of reference orbit

3.3 信息流管理

星務(wù)中心計算機實時監(jiān)視導(dǎo)航接收機遙測數(shù)據(jù)中的降軌過赤道標志.在該標志被置為有效時，主機觸發(fā)降軌過赤道數(shù)據(jù)輪詢命令，以獲取最近一次的樣本數(shù)據(jù).樣本數(shù)據(jù)內(nèi)容為降軌過赤道的UTC時間和經(jīng)度值.

編隊衛(wèi)星(A星、B星)的星間通信機通過星間鏈路信道進行無間斷實時信息交互，如圖7所示.若漂移預(yù)報結(jié)果顯示:衛(wèi)星在東邊界需要實施軌道控制，則星務(wù)中心計算機開啟調(diào)度他星定位、軌控數(shù)據(jù)廣播的工作.星間通信機在星間通道上實時獲取星間數(shù)據(jù)，并及時廣播到CAN總線網(wǎng)絡(luò)上，以供星務(wù)中心計算機判斷處理.

在確定軌控時刻后，星務(wù)中心計算機通過采集測溫網(wǎng)絡(luò)的溫度量數(shù)據(jù)，自主綜合衡量設(shè)備所處的溫度環(huán)境，提前采取相應(yīng)控溫措施，以確保發(fā)動機等工作在最佳狀態(tài).計算出速度增量結(jié)果后，星務(wù)中心計算機進行軌控參數(shù)廣播，在CAN總線網(wǎng)絡(luò)上進行信息共享.星間通信機接收到該廣播后，將軌控參數(shù)通過星間鏈路傳送給另一顆衛(wèi)星.姿控下位機通過此廣播獲取控制時刻、速度增量，計算點火時間和時長，以實現(xiàn)軌道機動.

圖7 編隊衛(wèi)星漂移軌控期間信息流的調(diào)度關(guān)系圖Fig.7Scheduler of keeping formation of constellation during drifting period

4 軟件測試驗證

為了驗證自主軌道維持軟件實現(xiàn)的正確性，本文首先以仿真數(shù)據(jù)為輸入，得出了在大周期內(nèi)，B星隨A星同步漂移的預(yù)計軌跡和實際軌跡曲線，見圖8.以仿真生成的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)作為輸入，對樣本迭代計算、軌控策略處理、軌控時刻選擇和速度增量計算等過程進行了動態(tài)測試驗證.并將星務(wù)中心計算機輸出的結(jié)果與理論推導(dǎo)結(jié)果進行了比較，如表2所示.

圖8 A、B星預(yù)計漂移軌跡與實際軌跡圖Fig.8Forecasting and real drifting orbit of A and B

表2 在不同漂移模式下，星務(wù)中心計算機輸出與理論推導(dǎo)結(jié)果對比表Tab.2Comparison between output of OBDH and results in theory during different drifting modes

經(jīng)比較可知，在不同漂移模式下，星務(wù)中心計算機計算輸出的軌控時刻與理論推算值一致.速度脈沖值的輸出值誤差小于2%.可以得出結(jié)論，星上軌道自主維持軟件實現(xiàn)方法正確，數(shù)據(jù)計算精度滿足要求.

5 結(jié)論

星上自主軌道維持技術(shù)能夠通過適時進行高頻次在軌控制，使衛(wèi)星軌跡精確地維持在期望的誤差范圍內(nèi)，保持編隊飛行衛(wèi)星間的相位與距離;星上數(shù)據(jù)采集濾波、模型建立、策略實施全部依托于星上嵌入式系統(tǒng)完成，將極大降低衛(wèi)星軌道控制對于地面測控的依賴，衛(wèi)星可以在符合策略要求的任何時間段完成軌道控制過程，而不必限制于境內(nèi)弧段，提升了工作效率，利于整星載荷使用效能的提升.本文所提出的技術(shù)將在衛(wèi)星自主控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，將大大降低衛(wèi)星在軌使用和維護時對人為干預(yù)的依賴性，提升衛(wèi)星的自動化和智能化水平.目前，文中研究的軌道維持方法限于在單星或雙星串行編隊中應(yīng)用，對于復(fù)雜星座如何自主維持構(gòu)型需要繼續(xù)進行探索.

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［3］王西京.太陽同步衛(wèi)星雙星組網(wǎng)維持策略［J］.飛行器測控學報，2004，23(11):50-54.WANG X J.Solar synchronization constellation orbit maintenance strategy［J］.Feixingqi Cekong Xuebao，2004，23(11):50-54.

［4］楊嘉墀.航天器軌道動力學與控制(下)［M］.北京:宇航出版社，2001.

［5］張洪波.航天器軌道力學理論與方法［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2015.

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Onboard Software Algorithm and Implementation for Autonomy Orbit Maintenance with Ground Track

HOU Wencai，LI Zhiwu，ZHANG Running，LI Guojun
(DFH Satellite Co.Ltd.，Beijing 100094，China)

This paper provides an onboard-software solution for maintaining satellite orbit with sub-satellite point track and keeping formation of constellation.These key technologies about the model of sub-satellite point track drifting，strategy of orbit controlling and method to real-time match track are researched.Based on on-board housekeeping platform，the procedures about processing of exemplars，deciding of orbit control，self-setting of state，and computing of orbit control parameters are implemented by software.With simulated orbit data as input，the software output and theory results are compared.The feasibility and correctness of software are verified.The smart and automatic level of satellites will be promoted further by the technology of autonomy orbit maintenance.

constellation;autonomy; orbit maintenance

V44

A

1674-1579(2016)06-0052-06

10.3969/j.issn.1674-1579.2016.06.010

侯文才(1985—)，男，工程師，研究方向為小衛(wèi)星星務(wù)技術(shù);李志武(1983—)，男，高級工程師，研究方向為小衛(wèi)星軌道控制技術(shù)研究;張潤寧(1966—)，男，研究員，研究方向為小衛(wèi)星軌道控制技術(shù);李國軍(1983—)，男，高級工程師，研究方向為小衛(wèi)星星務(wù)技術(shù).

2016-03-17