微纳卫星的双星近距离编队方法论文和设计-冉德超

全文摘要

本发明公开了一种微纳卫星的双星近距离编队方法。该双星近距离编队方法用于实现两个微纳卫星的近距离编队，包括：建立双星编队坐标系，建立相对运动方程，进行双星编队构型初始化，开展双星星间通信交流和进行双星编队构型维持。本发明的微纳卫星的双星近距离编队方法利用同一枚运载火箭同时搭载两个微纳卫星，通过对微纳卫星与运载火箭的弹射分离方式、双星轨道的维持方式和双星间通信方式进行设计，能够提高微纳卫星编队形成速度，有效地减少微纳卫星进行主动轨道机动的次数，节省燃料，且能保证微纳卫星轨道机动的安全性。

主设计要求

1.一种微纳卫星的双星近距离编队方法，其特征在于，所述方法用于实现两个微纳卫星的近距离编队，两个所述微纳卫星包括参考星和跟随星，所述方法包括：建立双星编队坐标系：建立地球惯性坐标系，并在所述地球惯性坐标系的基础上建立所述参考星的轨道坐标系，所述轨道坐标系用于作为双星编队相对运动的参考坐标系；建立相对运动方程：在所述轨道坐标系下，建立所述参考星和所述跟随星的相对运动方程；进行双星编队构型初始化：利用一个运载火箭搭载两个所述微纳卫星，根据双星编队构型需求，确定所述参考星及所述跟随星与所述运载火箭的弹射分离条件，使所述参考星与所述跟随星的相对距离为设定值，形成初始双星编队构型；开展双星星间通信交流：根据所述参考星与所述跟随星的运动及位置信息的信息交流要求，确定所述参考星与所述跟随星的信息传递方式和通信协议，实现所述参考星与所述跟随星的星间通信；进行双星编队构型维持：根据所述参考星与所述跟随星的交流信息，实时监测所述参考星与所述跟随星的相对距离的变化，根据相对距离的变化结果对所述跟随星进行轨道控制，使所述跟随星与所述参考星的相对距离保持在设定范围内。

设计方案

1.一种微纳卫星的双星近距离编队方法，其特征在于，所述方法用于实现两个微纳卫星的近距离编队，两个所述微纳卫星包括参考星和跟随星，所述方法包括：

建立双星编队坐标系：建立地球惯性坐标系，并在所述地球惯性坐标系的基础上建立所述参考星的轨道坐标系，所述轨道坐标系用于作为双星编队相对运动的参考坐标系；

建立相对运动方程：在所述轨道坐标系下，建立所述参考星和所述跟随星的相对运动方程；

进行双星编队构型初始化：利用一个运载火箭搭载两个所述微纳卫星，根据双星编队构型需求，确定所述参考星及所述跟随星与所述运载火箭的弹射分离条件，使所述参考星与所述跟随星的相对距离为设定值，形成初始双星编队构型；

开展双星星间通信交流：根据所述参考星与所述跟随星的运动及位置信息的信息交流要求，确定所述参考星与所述跟随星的信息传递方式和通信协议，实现所述参考星与所述跟随星的星间通信；

进行双星编队构型维持：根据所述参考星与所述跟随星的交流信息，实时监测所述参考星与所述跟随星的相对距离的变化，根据相对距离的变化结果对所述跟随星进行轨道控制，使所述跟随星与所述参考星的相对距离保持在设定范围内。

2.根据权利要求1所述的微纳卫星的双星近距离编队方法，其特征在于，所述建立双星编队坐标系包括：

采用O-XYZ表示所述地球惯性坐标系，地球地心为坐标原点，X轴位于赤道平面内，且指向春分点，Z轴指向地球北极，Y轴与所述X轴、所述Z轴构成右手直角坐标系；

采用o-xyz表示所述参考星的轨道坐标系，所述参考星的质心为坐标原点，x轴由所述地球地心指向所述参考星的质心，y轴位于所述参考星的轨道平面上，所述y轴与所述x轴垂直且指向所述参考星的运动方向，z轴与所述x轴、所述y轴构成右手直角坐标系。

3.根据权利要求2所述的微纳卫星的双星近距离编队方法，其特征在于，所述参考星与所述跟随星的相对运动方程为：

设计说明书

技术领域

本发明涉及航天器控制技术领域，具体涉及一种微纳卫星的双星近距离编队方法。

背景技术

微纳卫星按照现行的卫星分类方法，表示为质量小于100kg的卫星，与传统的卫星相比，微纳卫星具有体积小、重量轻、成本低和研制周期短等特点。但由于尺寸和能源的限制，相比传统卫星，单颗微纳卫星的功能较为单一，目前利用单颗微纳卫星还无法完全替代传统卫星。因此，通常采用两个微纳卫星近距离编队，利用两个微纳卫星进行双星协同工作，以扩展微纳卫星的功能，实现微纳卫星替代传统卫星。

现有的双星近距离编队方法包括：首先利用两发运载火箭分别发射两个卫星，由其中一颗卫星利用自身携带的燃料进行两次以上的轨道机动，以实现双星近距离编队的编队构型初始化，然后再根据双星的轨道衰减情况，进行周期性的双星运行轨道维持，以保持双星编队构型；同时，为了保证双星近距离编队的安全性，两个卫星利用地面卫星测控站对双星编队的距离进行监控和预判。

发明人发现现有技术至少存在以下问题：

现有的双星编队方法针对传统卫星设计，由于微纳卫星与传统卫星的结构尺寸均不同，微纳卫星双星近距离编队采用现有的双星编队方法时，会耗费大量的燃料能源和地面卫星监控资源，且由于卫星监控资源有限，微纳卫星编队任务无法得到全面的保障。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种微纳卫星的双星近距离编队方法，利用同一枚运载火箭同时搭载两个微纳卫星，通过对微纳卫星与运载火箭的分离方式、双星轨道的维持方式和双星间通信方式进行设计，实现微纳卫星的双星近距离编队。

为此，本发明公开了一种微纳卫星的双星近距离编队方法。所述方法用于实现两个微纳卫星的近距离编队，两个所述微纳卫星包括参考星和跟随星，所述方法包括：

建立相对运动方程：在所述轨道坐标系下，建立所述参考星和所述跟随星的相对运动方程；

进一步地，在所述微纳卫星的双星近距离编队方法中，所述建立双星编队坐标系包括：

进一步地，在所述微纳卫星的双星近距离编队方法中，所述参考星与所述跟随星的相对运动方程为：

所述公式1中，x、y和z表示所述跟随星在所述参考星轨道坐标系下的位置坐标，f_{x<\/sub>、f_{y<\/sub>和f_{z<\/sub>表示所述跟随星输出的轨道控制力，n为所述参考星的平均角速度，设计图}}}

微纳卫星的双星近距离编队方法论文和设计

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