航天器近距离接近伴飞相对轨迹预报与精度分析

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1、载人航天2010年第4期工程报告航天器近距离接近伴飞相对轨迹预报与精度分析侯育卓黄学祥(北京跟踪与通信技术研究所)摘要描述航天器接近伴飞过程及其相对运动关系，分析相对轨迹预报的必要性和传统预报方法的不足，建立相对轨迹预报模型，并从模型误差和测量误差两方面对预报精度进行了分析；最后探讨了误差传播特点和规律。关键词接近伴飞相对轨迹精度分析分类号V412．4+1文献标识码A文章编号1674-5825(2010)04-0030-081引言随着空间技术迅猛发展，世界主要航天国家相继都开展了载人航天、交会对接、在轨服务和绕飞伴飞等多项与航天器接近伴飞相关的研究计划，开展了密集的飞行

2、演示验证。如美国相继开展了XSS系列试验卫星、DART演示验证、轨道快车、航天飞机回收卫星等多项大型空间试验，欧空局最近开展了HTV试验，俄罗斯则利用多个空间站完成了大量交会对接试验。这些试验在寻的段、接近段都要进行接近伴飞，最终实现追踪航天器和目标航天器在空间的交会过程。航天器交会通常可以分为调相段、远距离接近段、近距离接近段、交会段等几个典型阶段。其中，近距离接近段主要是指星上测量载荷捕获目标到进入接近走廊的一段，本文将其定义为航天器近距离接近伴飞阶段(简称接近伴飞阶段)。接近伴飞阶段追踪航天器和目标航天器距离比较近(15m耋Ar耋15kin)，同时控制又比较频繁，

3、此阶段两航天器间相对运动轨迹对于地面系统判断航天器飞行接近状态、对接近过程进行安全评估都有着非常重要的意义。当前，国内外学者对航天器相对运动问题研究已经比较深刻成熟，但是大多数更关注的是相对运动理论和相对运动描述方法，国内尚无工程上成熟应用的报道。为此，从工程应用角度，建立了相对轨迹的预报模型，并对模型精度进行了分析。2接近伴飞相对运动轨迹的描述2．1相对轨迹坐标定义与任务分析定义相对运动坐标系0一xyz，原点在航天器质心，o)【轴为地心与航天器质心连线方向，0)r轴为在轨道面内垂直于Ox轴、指向飞行方向，Oz轴为轨道面正法向，o】【、嘶、Oz轴成右手系，如图l所示。航

4、天器典型的接近伴飞过程如图2所示，追踪器S由Sl点伴飞飞行至S2点，再由S2点伴飞飞行至S3点，在S3点处到达禁飞区(KOS)，由S3点进入锥形接近走廊，与目标航天器进行交会对接。来稿日期：2010-09—29；修回日期：2010-1l一23。作者简介：侯育卓(1978．O仁)，男，硕士。工程师，主要从事空间实验1=程研究工作。30图1坐标系定义工程报告载人航天2010年第4期●L‘———————————·J．h—————————一R—bafI接近段I寻的段I图2典型空间航天器接近伴飞过程在实际任务中，地面系统需要利用追踪航天器S的相对测量载荷(微波雷达、测量相机、RG

5、PS等)，测量相对目标星的运动状态(酊△产)，预报相对运动轨迹，规划接近伴飞策略。地面系统对相对轨迹预报需求主要包括三个方面，一是根据相对测量状态对境外不可测控弧段相对运动轨迹进行预报，掌握航天器相对状态；二是对航天器相对运动轨迹安全进行分析，避免航天器间相互碰撞；三是对航天器相对测量载荷探测能力进行评估，为飞行任务规划提供支持。因此，航天器相对运动轨迹预报对安全可靠地完成任务非常必要。2．2传统轨迹预报方法的不足传统的航天器接近伴飞相对测量方案如图3所示。南地面测量设备对航天器分别进行精密轨道测量，然后由飞控中心分别进行精密定轨，之后采用定轨预报数据进行相对位置解算，

6、确定航天器相对运动轨迹。采用这种方法能够完成相对轨迹的预报分析，并且精度较高，但是最主要的不足是实时性不够，通常完成“测量一定轨一相对运动分析”整个过程至少需要45rain，无法满足交会伴飞过程对实时性的要求，不能完成任务规划和保证飞行试验安全。图3地面系统设备精密测轨方案2．3问题提出上述分析表明，航天器接近伴飞的相对轨迹预报对于航天器任务分析、安全预警和任务规划具有非常重要的意义。同时，采用传统地基精密轨道预报确定航天器相对运动轨迹的方法在时效性上又不满足要求，因此需要考虑采用相对运动模型的方法进行轨迹预报。相对轨迹预报通常具有如下要求(相对距离≤15km)：(1)

7、实时预报：预报时长30s，预报时间耋ls，相对预报误差Ax<-_10m，Ay耋30m，Az<10m；(2)准实时预报：预报时长一个轨道周期，预报时间耋100s，相对预报误差△x耋20m，Ay耋100m，Az<20m；(3)事后预报：预报时长五个轨道周期，9小时相对预报误差Ax姜50m，Ay耋300m，Az<50m。3相对运动模型航天器接近伴飞的关键问题是航天器间的相对运动规律。国内和国际上近年来开展了相关研究，理论方法比较成熟，目前相对运动描述方面主要采用的方法包括直角坐标法和轨道要素法两种。其中，直角坐标法最具代表性的是c—W方程，详见