本發(fā)明屬于航天器編隊(duì)飛行空間測(cè)量領(lǐng)域，尤其涉及一種基于星敏感器和星間鏈路的HEO衛(wèi)星群相對(duì)測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

大橢圓軌道(High Elliptical Orbit，HEO)衛(wèi)星的軌道偏心率大于0.6，近地點(diǎn)高度在300千米～1000千米之間，遠(yuǎn)地點(diǎn)處的高度要高于地球靜止軌道衛(wèi)星(36000千米)。HEO衛(wèi)星具有覆蓋區(qū)域廣，覆蓋時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，因此在很多領(lǐng)域都得到了應(yīng)用，例如導(dǎo)彈預(yù)警，氣象探測(cè)，導(dǎo)航定位，空間科學(xué)探索等。早期的HEO衛(wèi)星主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，其中的典型代表有俄羅斯的“閃電”系列衛(wèi)星；美國(guó)的“折疊椅”，“軍號(hào)”衛(wèi)星。可以說(shuō)，盡管目前世界各國(guó)研究的重點(diǎn)仍然是低軌衛(wèi)星和中軌衛(wèi)星，但HEO衛(wèi)星由于其自身獨(dú)特的軌道特點(diǎn)，可以做為現(xiàn)有衛(wèi)星的補(bǔ)充，必將擁有廣泛的應(yīng)用前景。

HEO衛(wèi)星群在空間運(yùn)行過(guò)程中所經(jīng)歷的空間環(huán)境比較復(fù)雜，要想實(shí)現(xiàn)其高精度的自主導(dǎo)航，必須解決兩方面問(wèn)題：一方面，當(dāng)噪聲的分布并不確定時(shí)，所采用的濾波算法是否具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力使得濾波結(jié)果收斂，并且保證足夠高的精度；另一方面，HEO衛(wèi)星的速度和加速度在近地點(diǎn)附近會(huì)出現(xiàn)較為劇烈的變化，即存在著高速度高動(dòng)態(tài)的問(wèn)題，它會(huì)導(dǎo)致濾波結(jié)果出現(xiàn)波動(dòng)的情況。

為了HEO衛(wèi)星進(jìn)行編隊(duì)飛行以及共位控制，必須首先能實(shí)時(shí)獲得衛(wèi)星的位置和姿態(tài)信息，并且不能對(duì)臨星產(chǎn)生干擾，由于HEO衛(wèi)星遠(yuǎn)地點(diǎn)通常在36000km高度，HEO衛(wèi)星存在導(dǎo)航觀測(cè)信號(hào)不足的問(wèn)題：(1)常用GNSS導(dǎo)航方式存在導(dǎo)航信號(hào)弱、地球遮擋和可見(jiàn)衛(wèi)星少等嚴(yán)重問(wèn)題；(2)其它導(dǎo)航方式：地磁場(chǎng)無(wú)法使用，雷達(dá)高度計(jì)僅限于近地軌道導(dǎo)航，都難以作為觀測(cè)信息滿足整個(gè)軌道周期導(dǎo)航要求，因此這就使得研究HEO衛(wèi)星引入新觀測(cè)方法顯得迫切重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明針對(duì)HEO衛(wèi)星編隊(duì)飛行觀測(cè)信息不足導(dǎo)致導(dǎo)航精度較低的問(wèn)題，提出一種基于星敏感器和星間鏈路的HEO衛(wèi)星群相對(duì)測(cè)量方法，為編隊(duì)飛行的HEO衛(wèi)星提供高精度相對(duì)觀測(cè)信息。

技術(shù)方案：一種基于星敏感器和星間鏈路的HEO衛(wèi)星群相對(duì)測(cè)量方法，步驟 如下：

(1)以HEO衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)為任務(wù)需求，將兩個(gè)HEO衛(wèi)星分別設(shè)為主星和子星，設(shè)計(jì)主星和子星編隊(duì)飛行構(gòu)型及軌道參數(shù)；

(2)根據(jù)計(jì)算的主星和子星相對(duì)距離，判斷子星是否滿足星敏感器觀測(cè)距離要求，滿足則進(jìn)入步驟(3)，否則進(jìn)入步驟(10)；

(3)根據(jù)解算的太陽(yáng)、地球和子星三者位置關(guān)系，判斷子星是否處在太陽(yáng)光照區(qū)，是則進(jìn)入步驟(4)，否則進(jìn)入步驟(10)；

(4)根據(jù)解算的地球、主星和子星三者位置關(guān)系，判斷地球是否進(jìn)入星敏感器視場(chǎng)，是則進(jìn)入步驟(5)，否則進(jìn)入步驟(10)；

(5)根據(jù)計(jì)算的子星可視星等，判斷子星可視星等是否小于星敏感器可觀測(cè)閾值，是則進(jìn)入步驟(6)，否則進(jìn)入步驟(10)；

(6)根據(jù)計(jì)算的子星相對(duì)主星方向矢量與星敏感器光軸指向夾角，判斷子星是否在星敏感器視場(chǎng)范圍內(nèi)，是則進(jìn)入步驟(7)，否則利用萬(wàn)向軸調(diào)整星敏感器光軸指向后，繼續(xù)判斷，是則進(jìn)入步驟(7)，否則進(jìn)入(10)；

(7)根據(jù)計(jì)算的子星在星敏感器二維像面陣坐標(biāo)，判斷子星是否在星敏感器二維像面陣內(nèi)，是則進(jìn)入步驟(8)，否則進(jìn)入步驟(10)；

(8)計(jì)算子星相對(duì)主星理論方向矢量和方位角與俯仰角，進(jìn)入步驟(9)；

(9)根據(jù)所得理論方位角，調(diào)整主星星敏感器光軸與理論方向矢量一致，對(duì)小行星進(jìn)行真實(shí)觀測(cè)，并建立觀測(cè)模型，進(jìn)入步驟(10)；

(10)結(jié)束觀測(cè)。

進(jìn)一步的，所述步驟(1)中的軌道參數(shù)包括軌道半長(zhǎng)軸a、軌道偏心率e、軌道傾角i、升交點(diǎn)赤經(jīng)Ω、近地點(diǎn)幅角ω、過(guò)近地點(diǎn)時(shí)刻t_p。

進(jìn)一步的，所述步驟(2)中判斷子星是否滿足星敏感器觀測(cè)距離要求過(guò)程如下：

計(jì)算主星相對(duì)子星距離δr⁽¹⁰⁾，判斷其是否滿足條件

L_min≤δr⁽¹⁰⁾≤L_max (1)

其中，δr⁽¹⁰⁾＝|δr⁽¹⁰⁾|＝|r⁽¹⁾-r⁽⁰⁾|，r⁽⁰⁾和r⁽¹⁾為主星和子星位置矢量；L_min和L_max為星間觀測(cè)所需最小和最大距離。

進(jìn)一步的，所述步驟(3)中判斷子星是否處在太陽(yáng)光照區(qū)過(guò)程如下：

分析地球陰影范圍以及子星運(yùn)行穿過(guò)該陰影范圍的臨界條件，設(shè)子星位置矢量r⁽¹⁾與太陽(yáng)位置矢量r^(sun)夾角為ψ，子星進(jìn)入和離開(kāi)地球陰影范圍的臨界夾角為ψ_cri，則子星處在太陽(yáng)光照區(qū)需要滿足條件：

ψ＜ψ_cri (2)。

進(jìn)一步的，所述步驟(4)中判斷地球是否進(jìn)入星敏感器視場(chǎng)過(guò)程如下：

設(shè)主星位置矢量r⁽⁰⁾和主星相對(duì)子星方向矢量δr⁽¹⁰⁾的夾角為θ，被地球遮擋導(dǎo)致背景光線過(guò)弱的臨界條件是子星相對(duì)主星方向矢量δr⁽¹⁰⁾與地球邊緣相切，定義此臨界夾角為θ_cri，則地球未進(jìn)入星敏感器視場(chǎng)條件為：

θ＞θ_cri (3)。

進(jìn)一步的，所述步驟(5)中判斷子星可視星等是否小于星敏感器可觀測(cè)閾值過(guò)程如下：

引入可視星等分析子星的可見(jiàn)性，星等值越小，表明天體越亮；反之，天體則越暗；設(shè)星敏感器可觀測(cè)閾值為m_thr，子星可視星等為m，子星被觀測(cè)到其可視星等滿足條件

m＜m_thr (4)。

進(jìn)一步的，所述步驟(6)中判斷子星是否在星敏感器視場(chǎng)范圍內(nèi)過(guò)程如下：

設(shè)子星相對(duì)主星方向矢量δr⁽¹⁰⁾與星敏感器光軸指向矢量夾角為星敏感器視場(chǎng)角為FOV，則方向矢量δr⁽¹⁰⁾在星敏感器視場(chǎng)范圍內(nèi)滿足條件

如果相對(duì)矢量δr⁽¹⁰⁾不在視場(chǎng)范圍內(nèi)，利用萬(wàn)向軸調(diào)整星敏感器光軸指向，使其進(jìn)入視場(chǎng)范圍，如果轉(zhuǎn)動(dòng)后仍不能進(jìn)入視場(chǎng)，則無(wú)法觀測(cè)。

進(jìn)一步的，所述步驟(7)中判斷子星是否在星敏感器二維像面陣內(nèi)過(guò)程如下：

根據(jù)子星相對(duì)主星方向矢量δr⁽¹⁰⁾投影在星敏感器二維像面陣的幾何關(guān)系，解其坐標(biāo)為設(shè)二維像面陣長(zhǎng)度和寬度分別為IP_longth和IP_width， 則子星在像平面坐標(biāo)需要滿足條件

進(jìn)一步的，所述步驟(8)中計(jì)算子星相對(duì)主星方向矢量和方位角與俯仰角具體步驟如下：

子星相對(duì)主星單位方向矢量由星敏感器獲得，得子星相對(duì)主星方位角α與俯仰角δ，主星和子星相對(duì)距離|δr⁽¹⁰⁾|由星間鏈路獲得，得到子星相對(duì)主星理論方向矢量δr⁽¹⁰⁾

其中，

子星相對(duì)主星方位由方位角和俯仰角描述，在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系o_b-x_by_bz_b中，定義方位角α為δr⁽¹⁰⁾在o_b-y_bz_b平面的投影與y_b軸夾角，俯仰角δ為δr⁽¹⁰⁾與x_b軸夾角，表示為

其中，是地心慣性坐標(biāo)系相對(duì)本體坐標(biāo)系姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣。

進(jìn)一步的，所述步驟(9)中主星對(duì)小行星進(jìn)行真實(shí)觀測(cè)，并建立觀測(cè)模型具體為：

根據(jù)步驟(8)所得子星相對(duì)主星理論方向矢量和方位角與俯仰角，主星采用萬(wàn)向軸調(diào)整星敏感器光軸指向與該理論方向矢量一致，并利用星敏感器進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，輸出子星相對(duì)主星單位方向矢量真實(shí)測(cè)量值由主星和子星之間星間鏈路的實(shí)際測(cè)量值得小行星相對(duì)衛(wèi)星單位方向矢量真實(shí)觀測(cè)模型 為：

工作原理：本發(fā)明是一種基于星敏感器和星間鏈路的HEO衛(wèi)星群相對(duì)測(cè)量方法，利用主星星敏感器自主連續(xù)觀測(cè)子星，得到子星相對(duì)主星理論方向矢量和方位角與俯仰角。首先以HEO衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)為任務(wù)需求，將兩個(gè)HEO衛(wèi)星分別設(shè)為主星和子星，設(shè)計(jì)主星和子星編隊(duì)飛行構(gòu)型及軌道參數(shù)；然后提出主星星敏感器觀測(cè)子星需要滿足四種基本光照條件：①主星和子星相對(duì)距離滿足觀測(cè)距離要求；②子星處在太陽(yáng)光照區(qū)能被完全觀測(cè)；③地球(或其他天體)未進(jìn)入星敏感器視場(chǎng)；④子星可視星等小于可視星等閾值，其次判斷主星星敏感器能否觀測(cè)到子星：①子星是否在星敏感器視場(chǎng)范圍；②子星是否在星敏感器二維像面陣內(nèi)，最后計(jì)算子星相對(duì)主星理論方向矢量和方位角及俯仰角，為主星自主連續(xù)觀測(cè)子星提供數(shù)據(jù)支持。

有益效果：相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是在于：(1)星敏感器是觀測(cè)恒星的天體敏感器，而利用星敏感器進(jìn)行星間相對(duì)測(cè)量需要滿足特定條件，本發(fā)明提出星間觀測(cè)需要的光照條件和星敏感器觀測(cè)條件，解決傳統(tǒng)星敏感器只能被動(dòng)觀測(cè)問(wèn)題，提高自主選星準(zhǔn)確性；(2)在實(shí)現(xiàn)星間觀測(cè)基礎(chǔ)上，本發(fā)明提出實(shí)時(shí)計(jì)算子星相對(duì)主星方位矢量和方位角和俯仰角方法，并且利用萬(wàn)向軸調(diào)整星敏感器光軸指向連續(xù)跟蹤子星，解決傳統(tǒng)觀測(cè)無(wú)法連續(xù)跟蹤問(wèn)題，提高星間連續(xù)觀測(cè)效率。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明方法流程圖；

圖2為本發(fā)明中主星相對(duì)子星星間特定距離范圍示意圖；

圖3為本發(fā)明中子星光照條件示意圖；

圖4為本發(fā)明中星敏感器視場(chǎng)與地球位置關(guān)系示意圖；

圖5為本發(fā)明中子星可視星等計(jì)算示意圖；

圖6為本發(fā)明中子星在星敏感器二維像面陣投影示意圖；

圖7為本發(fā)明中子星相對(duì)主星方向矢量與方位角示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施案例進(jìn)行詳細(xì)的描述；

如圖1所示，本發(fā)明為一種基于星敏感器和星間鏈路的HEO衛(wèi)星群相對(duì)測(cè)量 方法，在HEO衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)任務(wù)階段，HEO衛(wèi)星利用星敏感器和星間鏈路進(jìn)行星間觀測(cè)，是一種非常適合于HEO衛(wèi)星自主連續(xù)相對(duì)觀測(cè)的方法。其包括步驟如下：

(1)設(shè)計(jì)HEO衛(wèi)星(設(shè)為主星和子星)編隊(duì)飛行構(gòu)型及軌道參數(shù)(包括軌道半長(zhǎng)軸a、軌道偏心率e、軌道傾角i、升交點(diǎn)赤經(jīng)Ω、近地點(diǎn)幅角ω、過(guò)近地點(diǎn)時(shí)刻t_p)，設(shè)計(jì)主星星敏感器最佳安裝方位以觀測(cè)子星；

(2)根據(jù)所設(shè)計(jì)兩個(gè)衛(wèi)星軌道參數(shù)，計(jì)算主星和子星相對(duì)距離δr⁽¹⁰⁾，如附圖2所示，判斷其是否滿足星敏感器觀測(cè)子星需要滿足特定距離要求

L_min≤δr⁽¹⁰⁾≤L_max (10)

其中，δr⁽¹⁰⁾＝|δr⁽¹⁰⁾|＝|r⁽¹⁾-r⁽⁰⁾|，r⁽⁰⁾和r⁽¹⁾為主星和子星位置矢量；L_min和L_max為星間觀測(cè)所需最小和最大距離。

(3)當(dāng)主星觀測(cè)子星時(shí)，子星需要被太陽(yáng)光充分照射。當(dāng)子星在地球光照區(qū)時(shí)，子星能被太陽(yáng)光充分照射；反之，當(dāng)子星進(jìn)入地球陰影區(qū)時(shí)，由于地球遮擋，太陽(yáng)光無(wú)法照射到子星，因此需要對(duì)子星光照條件進(jìn)行判斷。

根據(jù)太陽(yáng)、地球和子星三者幾何位置關(guān)系，如附圖3所示，確定太陽(yáng)陰影區(qū)和子星運(yùn)行軌跡穿過(guò)該陰影區(qū)的臨界條件。設(shè)太陽(yáng)光為平行光，子星位置矢量r⁽¹⁾與太陽(yáng)方向矢量r^(sun)形成的夾角為

子星進(jìn)入和離開(kāi)地球陰影范圍的臨界夾角為

其中，R_e是地球半徑。

由此可得子星處在太陽(yáng)光照區(qū)和陰影區(qū)條件分別為：

太陽(yáng)光照區(qū)：ψ＜ψ_cri (13a)

太陽(yáng)陰影區(qū)：ψ≥ψ_cri (13b)

(4)在星敏感器觀測(cè)子星過(guò)程中，當(dāng)視場(chǎng)背景光線過(guò)強(qiáng)或過(guò)弱時(shí)，其也無(wú)法觀測(cè)子星，因此需要分析視場(chǎng)背景受天體影響。

以地球?qū)е滦敲舾衅饕晥?chǎng)背景過(guò)弱為例進(jìn)行分析，根據(jù)地球、主星和子星三者幾何位置關(guān)系，如附圖4所示，子星相對(duì)主星方向矢量δr⁽¹⁰⁾和主星方向矢量r⁽⁰⁾的夾角為

由于地球?qū)е卤尘肮饩€過(guò)弱的臨界條件是主星和子星的連線與地球邊緣相切，則切線與主星位置矢量的臨界夾角為

由此可得星敏感器視場(chǎng)不受背景光線影響的條件為

θ＞θ_cri (16)

該方法同樣適用判斷子星背景受其他天體遮擋導(dǎo)致光線過(guò)強(qiáng)情況。

(5)星等是天文學(xué)中的概念，它是衡量天體光度的物理量。星等通常分為絕對(duì)星等和可視星等，絕對(duì)星等是指在離該天體32.6光年處所看到的天體亮度；可視星等是指地球上觀測(cè)者所見(jiàn)的天體亮度。星等值越小，表明天體越亮；反之，天體則越暗。引入可視星等概念分析被觀測(cè)子星的可見(jiàn)性。

首先要計(jì)算子星的絕對(duì)星等，子星的絕對(duì)星等M可通過(guò)下式計(jì)算得出：

其中，m_sun是太陽(yáng)的可視星等，它的值為-26.73；r_d為被觀測(cè)天體的半徑；a是天體的反射率；d₀是地球與太陽(yáng)之間的平均距離，它的值為1.496×10¹¹m。

子星的視星等m可以通過(guò)絕對(duì)星等M依照如下公式計(jì)算得到：

其中，|r^(sun0)|是太陽(yáng)與子星之間的距離；ξ是相對(duì)矢量δr⁽¹⁰⁾與太陽(yáng)相對(duì)子星方向矢量r^(sun1)夾角，如附圖5所示，可通過(guò)下式求得：

p(ξ)是相位積分，可由下式求得：

被觀測(cè)星體可視星等值越大，其相對(duì)星敏感器越暗；反之，其相對(duì)星敏感器越亮。設(shè)星敏感器可觀測(cè)閾值為m_thr，子星可視星等為m，其可視星等需要滿足條件

m＜m_thr (21)

定義星敏感器光軸指向在本體坐標(biāo)系方向矢量為計(jì)算子星相對(duì)主星方向矢量δr⁽¹⁰⁾與星敏感器方向矢量為的夾角

其中，是地心慣性坐標(biāo)系相對(duì)本體坐標(biāo)系姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣。

定義星敏感器視場(chǎng)角為FOV，判斷相對(duì)矢量δr⁽¹⁰⁾是否在星敏感器視場(chǎng)范圍內(nèi)

視場(chǎng)范圍內(nèi)：

視場(chǎng)范圍外：

如果相對(duì)矢量δr⁽¹⁰⁾不在視場(chǎng)范圍內(nèi)，考慮利用萬(wàn)向軸調(diào)整星敏感器光軸指向矢量，可以在由δr⁽¹⁰⁾和組成的平面內(nèi)直接偏轉(zhuǎn)等于或大于角度，使矢量δr⁽¹⁰⁾進(jìn)入視場(chǎng)范圍，如果轉(zhuǎn)動(dòng)后仍不能進(jìn)入視場(chǎng)，則無(wú)法觀測(cè)。

(7)根據(jù)子星相對(duì)主星方向矢量δr⁽¹⁰⁾投影在星敏感器二維像面陣的幾何關(guān)系，如附圖6所示，解算如下(23)式，可得子星在二維像面陣坐標(biāo)

其中，f是星敏感器焦距

設(shè)像平面長(zhǎng)度和寬度分別為IP_longth和IP_width，子星能被觀測(cè)需要滿足條件

(8)在主星觀測(cè)到子星后，由星間鏈路可得兩顆衛(wèi)星之間距離δr⁽¹⁰⁾，由星敏感器可得子星相對(duì)主星單位方向矢量如附圖7所示，因此可得子星相對(duì)主星理論方向矢量為

其中，

子星相對(duì)主星矢量方向可由方位角和俯仰角描述，在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系o_b-x_by_bz_b中，定義方位角α為δr⁽¹⁰⁾在o_b-y_bz_b平面的投影與y_b軸夾角，俯仰角δ為δr⁽¹⁰⁾與x_b軸夾角，可表示為

其中，是地心慣性坐標(biāo)系相對(duì)本體坐標(biāo)系姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣。

(9)根據(jù)上述所得子星相對(duì)衛(wèi)星的理論方位角和俯仰角，主星采用萬(wàn)向軸或其他機(jī)械裝置調(diào)整星敏感器光軸指向與該理論方向一致，并利用星敏感器進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，輸出子星相對(duì)主星單位方向矢量真實(shí)測(cè)量值由主星和子星之間星間鏈路的實(shí)際測(cè)量值可得小行星相對(duì)衛(wèi)星單位方向矢量真實(shí)觀測(cè)模型為：

(10)結(jié)束觀測(cè)。

本發(fā)明首先以HEO衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)為任務(wù)需求，設(shè)計(jì)兩個(gè)衛(wèi)星(設(shè)為主星和子星)編隊(duì)飛行構(gòu)型和軌道參數(shù)，然后提出主星星敏感器觀測(cè)子星需要滿足四種基 本光照條件：主星和子星相對(duì)距離滿足觀測(cè)特定距離要求；子星處在太陽(yáng)光照區(qū)能被完全觀測(cè)；地球(或其他天體)未進(jìn)入星敏感器視場(chǎng)；子星可視星等小于可視星等閾值，其次判斷主星星敏感器能否觀測(cè)到子星：子星是否在星敏感器視場(chǎng)范圍；子星是否在星敏感器二維像面陣內(nèi)，最后計(jì)算子星相對(duì)主星方向矢量和方位角與俯仰角，為主星自主連續(xù)觀測(cè)子星提供數(shù)據(jù)支持。