[发明专利]一种静止轨道卫星分散式闭环自主位置保持控制方法

说明书

本发明设计了一种静止轨道卫星分散式闭环自主位置保持控制方法，将传统集中式位保控制量分散到每天执行，利用脉冲推力消除每天的摄动变化量，进一步结合偏差闭环反馈控制作用，通过平经度、偏心率和轨道倾角联合控制，能够将卫星位置始终维持在一个精确范围内，东西方向控制精度优于±0.05°，南北方向控制精度优于±0.01°。

技术领域

本发明属于航天器自主轨道控制领域，涉及一种静止轨道卫星分散式闭环自主位置保持控制方法，用于实现星上自主高精度轨道控制。

背景技术

随着我国卫星应用领域不断扩大，在轨运行卫星数量急剧增加，传统依靠地面测控中心进行卫星日常管理模式已日益不能适应发展需求,必须实现卫星智能自主运行。自主运行是指在不依赖地面站支持的条件下，卫星完全利用自身的软硬件设备自主完成飞行任务要求的各项功能和操作，其中姿态和轨道自主控制是实现卫星自主运行的关键所在。当前卫星姿态控制已经由星上自主完成，但是大多数卫星还是依靠地面站进行轨道测量和控制，仅极少数卫星具备星上自主轨道控制功能。

星上现有自主轨道控制方法参考地面集中式位保管理方式，当卫星位置到达保持环边界时，由星上自主计算位保控制量，并选择恰当的控制时刻，自主实施位保操作，其中平经度控制采用单边极限环方式，偏心率控制采用双脉冲策略，轨道倾角控制目标为零。根据卫星定点位置摄动加速度和位置保持环大小，通常东西位保控制周期为1至3周，南北位保控制周期为1个月左右。考虑导航定位和控制误差，集中式自主位保控制精度指标一般为±0.2°，与地面±0.05°管理能力相比精度较差，因此有必要进一步研究星上自主高精度轨道控制方法。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为实现星上自主高精度轨道控制功能，提出了一种静止轨道卫星分散式闭环位置保持控制方法，通过平经度、偏心率和轨道倾角联合控制，能够将卫星位置始终维持在一个精确范围内。

本发明的技术解决方案是：提出一种静止轨道卫星分散式闭环自主位置保持控制方法，包括平经度、偏心率和轨道倾角三步控制，步骤如下：

(1)平经度控制策略：首先调整卫星半长轴至标称静止轨道高度，其次采用分散式闭环自主东西位置保持控制方法，每天通过脉冲推力消除平经度摄动变化量，以及经度偏离定点位置闭环控制量，控制时刻选取在近地点或远地点附近，采用平经度与偏心率联合控制方式。

(2)偏心率控制策略：当每天偏心率摄动变化量超过平经度控制引起的变化量时，需要利用脉冲推力将超出部分消除，同时引入偏心率闭环控制量；采用双脉冲方式，每天分两批次进行，每次控制量为总速度增量的一半，第一次结合平经度控制执行，第二次与第一次间隔180度且方向相反。

(3)轨道倾角控制策略：采用分散式闭环自主南北位置保持控制方法，每天通过脉冲推力消除轨道倾角长期和长周期摄动变化量，以及倾角偏离目标位置的闭环控制量；若选择向南位保，则每天控制时刻在倾角摄动方向对应平赤经附近，若选择向北位保，则每天控制时刻在倾角摄动反方向对应平赤经附近。

所述步骤(1)中标称静止轨道高度对应的卫星半长轴大小为42165.795km。

所述步骤(1)中平经度摄动变化量计算公式为：

式中为平经度摄动加速度，与卫星定点位置相关；表示计算一天内变化量。

所述步骤(1)中平经度闭环控制量计算公式为：

式中λ为当前位置地理经度，λ_s为目标定点位置地理经度，K_pλ为经度闭环反馈控制系数，作用是自主调节经度漂移趋势，维持经度长期处于控制精度指标要求范围内，通常取值在0.01～0.02之间。

所述步骤(1)中平经度控制所需的速度增量计算公式为：