[发明专利]双航天器跟踪指向装置和方法

权利要求书

1.一种双航天器跟踪指向装置，其特征在于，包括：底座(1)、大直径弧形导轨(2)、结构支撑装置(3)、三轴气浮台(4)、伴随航天器模拟装置(5)、指向评估装置(6)、参考航天器模拟装置(7)、立柱(8)、立柱滑轮(9)和随动平台(10)；

其中，伴随航天器模拟装置(5)安放在三轴气浮台(4)上，三轴气浮台(4)安装在结构支撑装置(3)上，结构支撑装置(3)下安装有底座(1)，大直径弧形导轨(2)铺设在地面上，并与三轴气浮台(4)的中心轴线重合，随动平台(10)装在大直径弧形导轨(2)上，可在大直径弧形导轨(2)上做弧形运动，立柱(8)立于随动平台(10)上，其底部装有立柱滑轮(9)，可以在随动平台(10)上沿大直径弧形导轨(2)的径向移动，立柱(8)上装有直线导轨，参考航天器模拟装置(7)安装在直线导轨上，参考航天器模拟装置(7)可在立柱(8)侧面上下滑动同时绕自身轴线转动，指向评估装置(6)固连在立柱(8)底端，用来接受指向来自伴随航天器模拟装置(5)的跟踪指向信号。

2.根据权利要求1所述的双航天器跟踪指向装置，其特征在于，所述三轴气浮台(4)和结构支撑装置(3)间有气膜。

3.根据权利要求1所述的双航天器跟踪指向装置，其特征在于，所述立柱(8)与随动平台(10)在大直径弧形导轨(2)上绕三轴气浮台(4)的中心轴线做回转运动，同时参考航天器模拟装置(7)在立柱(8)上的直线导轨上滑动。

4.根据权利要求1所述的双航天器跟踪指向装置，其特征在于，所述立柱(8)可以根据仿真需要在随动平台(10)上沿导轨径向移动。

5.基于权利要求1、2、3或4所述的双航天器跟踪指向装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：轨道坐标系和地心惯性坐标系的关系

得到轨道坐标系s-xyz和地心惯性坐标系O_E-XYZ存在的关系：s指代参考航天器，c指代伴随航天器，参考航天器在近圆轨道上做逆时针方向的运动；相对运动坐标系选为伴随航天器c的轨道坐标系s-xyz，相对运动坐标系的原点与参考航天器s的质心固连，并随参考航天器在近圆轨道上做逆时针运动；相对运动坐标系的x轴与参考航天器的地心矢量r_s重合，由地心指向s，y轴在参考航天器的轨道面内垂直于x轴，并指向运动方向，z轴可由右手规则确定，也就是说z轴与参考航天器轨道动量矩矢量的方向一致；

步骤二：建立相对运动方程

假设参考航天器的轨道半径为b，则r_s＝[b 0 0]^T，轨道半径可以通过立柱在随动平台上沿径向的移动来进行调整，再配合随动平台在导轨上的弧形运动可以模拟不同离心率的轨迹；

设伴随航天此的地心位置矢量为r_c，则其相对于参考航天器的位置矢量ρ为

在地心惯性坐标系中，参考航天器和伴随航天器的动力学方程如下

上式中的f_s和f_c分别为参考航天器和伴随航天器的加速度矢量，该加速度矢量由除地球中心引力以外的其他作用力的合力形成，即推力和摄动力的加速度矢量；

其中，t为时间；μ为地心引力常数，μ＝3.986005×10¹⁴m³/s²；

由(1)～(2)可得到伴随航天器与参考航天器的绝对加速度之差为

上式可以进一步表示为下列等效关系式

其中Δf＝f_c-f_s,建立伴随航天器与参考航天器在动坐标系s-xyz中的相对运动方程，如下

上式中的和v分别为伴随航天器与参考航天器在动坐标系中的相对加速度矢量和相对速度矢量，则

上式中的n分别为动坐标系旋转的角加速度矢量和角速度矢量，参考航天器的平均运动角速度为可得下列近似式

将式(5)和式(7)～(9)代入式(6)可得

其中，f_x,f_y,f_z为Δf在三个坐标轴上的分量；

对于伴随航天器和参考航天器的近距离的相对运动情况，可以进一步简化上式

步骤三：相对运动方程的求解

对式(11)中的第二式进行积分可得

其中，x₀,y₀,z₀为相应变量的初始值，将式(12)代入式(11)中的第一式，积分后得到

将式(13)代入式(12),积分后可得

对(11)的第三式进行积分可得

当式(11)右侧的力为0时，则该方程变为齐次微分方程；对该方程进行一次、二次积分，得到自由运动的解为

根据式(16)可以得知，伴随航天器和参考航天器的相对运动可以分解为轨道平面即xy平面内和垂直于轨道平面即z方向两个相互独立的运动。