专利名称：一种大椭圆轨道火星探测器自主对火定向方法
技术领域：
本发明涉及一种火星探测器自主对火定向技术，在深空探测通讯存在延时，自主导航敏感器又未能工程应用的情况下，通过轨道递推和定向基准坐标系的建立，可靠的实现火星探测器自主对火定向控制。
背景技术：
火星探测器在环绕火星飞行阶段，除对日定向保证能源、对地定向保证通讯等对姿控平台的要求外，为实现对火星拍照等科学探测，姿控平台必须具备对火星定向控制功倉泛。
国内现有的火星探测器姿控平台缺少相关技术作为借鉴。近地卫星为实现对地定向功能，通常采用地平仪或星敏感器结合轨道信息的方式得到姿态控制基准。由于深空探测距离遥远存在较大的通讯延时，且GPS不适用于深空探测任务，国际上通常采用地面测定轨结合自主导航敏感器的方式完成导航任务。而国内在现阶段，地面测定轨难以保证实时性，导航相机或紫外敏感器等自主导航敏感器还处在预研阶段。因此，针对国内火星探测任务，必须开发一种新的可靠的探测器对火定向方法。发明内容
对于大偏心率轨道(e ^ O. 6627)，以往近地卫星常用的处理小偏心率轨道递推方法将不再适用。本发明将针对火星探测器大椭圆轨道特点建立适用的星载轨道递推方法， 并以此建立对火定向基准，形成一种大椭圆轨道火星探测器自主对火定向方法。使火星探测器在无完全依赖地面测控和无自主导航敏感器的情况下，实现对火星定向的三轴稳定控制。
为解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案实现，一种大椭圆轨道火星探测器自主对火定向方法，其具体包 括如下步骤
1.获取地面测控给出的轨道根数初值；
若描述轨道根数的参考坐标系为火星中心地球赤道惯性坐标系，则将轨道参数转化到火星平赤道惯性坐标系；
若地面测控给出的轨道根数初值采用瞬时轨道根数描述，则将轨道根数转化为平轨道根数描述；
2.采用简化的解析方法进行轨道递推
解析方法的长期项系数(平均变化的变率)，包括火星非球形动力学扁率项和太阳引力项；
短周期项包括火星非球形动力学星扁率项、田谐项和太阳引力项三部分，并考虑轨道半长径的二阶短周期项；
考虑到星上计算资源有限，采用星上软件自主进行环火轨道递推，以提高对火定向控制的自主性；
3.建立对火定向基准坐标系
通过轨道递推获得预定时刻探测器在火星平赤道坐标系中的位置后，以火星中心-探测器位置矢量为Z轴方向，以Z方向矢量与火星北极矢量的叉乘结果作为X轴方向， 进而根据右手定则可确定Y轴方向；
4.对火姿态机动及返回
星上根据地面上注的对火绝对时刻，进行机动时间预估后，开始由精对日状态转入对火定向姿态机动，对火机动到位后保持30分钟，自主返回对日姿态工作模式。
本发明采用的方法与现有技术相比，其优点和有益效果是
在地面通讯存在延时，自主导航敏感器又做不到工程应用的情况下，通过轨道递推和定向基准坐标系的建立，可靠的实现火星探测器自主对火定向控制。
以下将结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明的轨道递推相关参考坐标系示意图2对火定向基准坐标系不意图。
具体实施方式
实施本发明的具体步骤为首先根据初始轨道参数，进行相应转换，以火星平赤道坐标系(MMEQ)为参考坐标系，采用分析方法进行自主轨道递推；其次根据递推得到的特定时刻探测器在火星平赤道坐标系内位置，进行对火姿态基准计算；最后，根据�？刂噶罡ǖ氖笨蹋讲馄骼眯敲舾衅�+飞轮组合方式进行对日定向到对火定向的姿态机动，并在机动到位后进行短期姿态保持。
如图1所示，描述了火星中心地球赤道惯性坐标系(MINS)与火星平赤道坐标系 (MMEQ)之间的相互关系，IAU矢量为火星平赤道与地球平赤道相交节线。需明确描述轨道根数的参考坐标系，决定是否需要将轨道参数转化到火星平赤道坐标系中描述；根据轨道根数类型决定是否进行平根数、瞬时根数的转换。若采用星上自主递推，可采用简化的解析方法。具体为
(I)火星中心地球平赤道惯性坐标系与火星平赤道坐标系的转换
由于俄方FGSC探测器位置及为YH-1提供的初始轨道根数均在火星平赤道坐标系 (MMEQ)内描述，而国内测定轨结果习惯在火星中心地球平赤道惯性坐标系(MINS)内描述， 因此有必要给出两者的转换关系。
火星中心地球平赤道惯性坐标系到日心黄道系转换矩阵
ε是地球轨道的黄赤交角，
权利要求
1.一种大椭圆轨道火星探测器自主对火定向方法，其特征在于包括如下步骤 1)获取地面测控给出的轨道根数初值； 若描述轨道根数的参考坐标系为火星中心地球赤道惯性坐标系，则将轨道参数转化到火星平赤道惯性坐标系； 若地面测控给出的轨道根数初值采用瞬时轨道根数描述，则将轨道根数转化为平轨道根数描述； 2)采用简化的解析方法进行轨道递推 解析方法的长期项系数，包括火星非球形动力学扁率项和太阳引力项； 短周期项包括火星非球形动力学星扁率项、田谐项和太阳引力项三部分，并考虑轨道半长径的二阶短周期项； 3)建立对火定向基准坐标系 通过轨道递推获得预定时刻探测器在火星平赤道坐标系中的位置后，以火星中心-探测器位置矢量为Z轴方向，以Z方向矢量与火星北极矢量的叉乘结果作为X轴方向，进而根据右手定则可确定Y轴方向； 4)对火姿态机动及返回 星上根据地面上注的对火绝对时刻，进行机动时间预估后，开始由精对日状态转入对火定向姿态机动，对火机动到位后保持30分钟，自主返回对日姿态工作模式。
2.根据权利要求1所述的火星探测器自主对火定向方法，其特征在于所述步骤1-1、2)中，计算平根数、瞬时根数的公式为
3.根据权利要求1所述的火星探测器自主对火定向方法，其特征在于所述步骤1-3)中，对火定向姿态基准计算公式为
全文摘要
本发明公开一种大椭圆轨道火星探测器自主对火定向方法，使火星探测器在不完全依赖地面测控和没有自主导航敏感器的情况下，实现对火星定向的三轴稳定控制。根据初始轨道根数及描述该轨道根数的参考坐标系，进行相应的短期轨道递推计算；星上自主递推采用简化的解析方法，地面进行轨道递推采用高精度数值方法；以火星中心-探测器位置矢量为Z轴方向，建立对火定向基准坐标系；星上收到�？刂噶詈螅灾髯攵曰鸲ㄏ虻淖颂ぷ髂Ｊ健Ｓ胂钟屑际跸啾龋溆幸嫘Ч窃诘孛嫱ㄑ洞嬖谘邮保灾鞯己矫舾衅饔肿霾坏焦こ逃τ玫那榭鱿拢ü斓赖萃坪投ㄏ蚧甲晗档慕ⅲ煽康氖迪只鹦翘讲馄髯灾鞫曰鸲ㄏ蚩刂啤�
文档编号G01C21/02GK103017760SQ20111028986
公开日2013年4月3日 申请日期2011年9月27日 优先权日2011年9月27日
发明者尹海宁, 杜宁, 蔡陈生, 周连文, 李芳华, 熊厚玲, 范蕾懿 申请人:上�：教炜刂乒こ萄芯克�
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