本发明涉及一种交会航天器地面导引轨道机动故障判别方法，该方法基于航天器机动前后轨道测量数据，根据轨道误差传播机理获得正常情况下机动后航天器轨道偏离标称轨道范围；通过轨道仿真计算轨道机动后的标称轨道，将机动后测量轨道与标称轨道做差；通过比较该偏差量与正常偏离范围判断航天器实际轨道机动是否正常。该方利用已有的轨道测量数据进行轨道机动故障判别，不妨碍已有的航天器飞行控制流程；通过解析的方法进行误差影响传播，算法简单、速度计算快。
1.一种交会航天器地面导引轨道机动故障判别方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：第一步：确定机动前定轨误差影响，
通过解析将机动前定轨误差协方差矩阵传递到机动后定轨时刻；
轨道机动前定轨时刻t0，通过测轨数据拟合得的t0时刻航天器位置速度分别为RD(t0)、VD(t0)，对应的轨道要素为ED(t0)＝[a(t0)，e(t0)，i(t0)，Ω(t0)，ω(t0)，f(t0)]，平均轨道角速度为 其中μ为地心引力常数，a为半长轴，e为偏心率，i为轨道倾角，Ω为升交点赤经，ω为近拱点角距，f为真近点角，该定轨数据在轨道坐标系下的位置、速度均方差分别为σr(t0)＝[σx(t0)，σy(t0)，Tσz(t0)] 与 其中轨道坐标系的原点在航天器质心，x轴由地心指向航天器方向，y轴垂直于x轴沿轨道运动方向，z轴沿轨道法向并构成右手坐标系，t0时刻的定轨误差协方差矩阵表示为t0时刻定轨误差传播到机动后定轨时刻tf的影响协方差矩阵为T
Cd′(tf，t0)＝Φ(tf，t0)Cd(t0)Φ(tf，t0) (1)其中，τ′＝n(tf-t0)，s′＝sinτ′，c′＝cosτ′，第二步：确定机动执行误差影响，
通过解析将机动冲量误差协方差矩阵传递到机动后定轨时刻；
机动时刻tm，轨道坐标系下标称机动冲量为Δv＝(Δvx，Δvy，Δvz)，正常执行时机动误差均方差为 对应的误差协方差矩阵为tm时刻轨道机动误差对机动后定轨时刻tf的影响协方差矩阵为T
CΔv″(tf，tm)＝Φv(tf，tm)CΔvΦv(tf，tm) (2)其中，τ″＝n(tf-tm)，s″＝sinτ″，c″＝cosτ″，第三步：确定轨道误差综合影响范围，
将机动前定轨误差影响、机动执行误差影响及机动后定轨误差的协方差矩阵相加作为轨道误差综合影响协方差矩阵；
机动后定轨时刻tf，航天器位置速度为RD(tf)、VD(tf)，对应的轨道要素为ED(tf)＝[a(tf)，e(tf)，i(tf)，Ω(tf)，ω(tf)，f(tf)]，该定轨数据在轨道坐标系下的位置、速度均方差分别为T
σr(tf)＝[σx(tf)，σy(tf)，σz(tf)] 与 tf时刻的定轨误差协方差矩阵表示为
Cd″(tf)＝Cd′(tf，t0)+CΔv″(tf，tm)+Cd(tf)将上式代入公式(1)与(2)，可得公式(3)，T T
Cd″(tf)＝Φ(tf，t0)Cd(t0)Φ(tf，t0)+Φv(tf，tm)CΔvΦv(tf，tm)+Cd(tf) (3)Cd″(tf)六个对角线元素的均方根记为σx、σy、σz、 与 分别表示误差综合影响三个位置分量与三个速度分量的均方差；
将机动后定轨数据与标称轨道做差，通过比较该差值及由误差综合影响协方差矩阵确定的正常轨道偏差范围判断轨道机动是否存在故障；
根据机动前定轨状态RD(t0)、VD(t0)及机动参数Δv进行轨道仿真，获得机动标称执行情况下tf时刻航天器状态为RP(tf)、VP(tf)，对应的轨道要素为EP(tf)，tf时刻，轨道仿真状态与定轨状态在轨道坐标系中的相对位置为r＝Ψ3[u(tf)]Ψ1[i(tf)]Ψ3[Ω(tf)][RP(tf)-RD(tf)]相对速度为
其中，u(tf)＝ω(tf)+f(tf)，当r与v满足公式(4)时，认为轨道机动执行正常；
一种交会航天器地面导引轨道机动故障判别方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种综合利用轨道测量数据及交会航天器轨道误差传播机理进行轨道机动故障判别的方法。
背景技术
[0002] 空间交会对接过程一般可以分为地面导引、近程导引、平移靠拢和对接等阶段。在地面导引段，追踪航天器在地面测控的支持下进行数次轨道机动到达目标航天器后下方几十千米的瞄准点。
[0003] 地面导引段的每次轨道机动控制过程可以分为如下几步：测量航天器机动前轨道、计算航天器轨道机动参数、上传轨道机动参数、航天器执行轨道机动、测量航天器机动后轨道。
[0004] 轨道机动执行过程中，航天器上的仪器会记录发动机推力加速度的变化过程，测控部门通过遥测手段下载推力加速度历史数据后，与标称推力加速度数据进行比较。当二者差异处于一定范围内时，认为轨道机动执行正常；当差异超出该范围时认为可能存在机动故障。
[0005] 上述方法需要详细的航天器星载仪器测量数据，却没有利用测控网对航天器轨道测量的外部测量数据及轨道运动机理。如果星载仪器存在异常，根据该方法将无法判断航天器是否正常执行轨道机动。
发明内容
[0006] 为解决上述问题，本发明特提出一种利用轨道测量数据及航天器轨道误差传播机理的轨道机动故障判别方法。
[0007] 本发明的技术方案如下：该方法包括如下步骤：
[0008] 第一步：确定机动前定轨误差影响
[0009] 轨道机动前定轨时刻t0，通过测轨数据拟合得的t0时刻航天器位置速度分别为RD(t0)、VD(t0)，对应的轨道要素为ED(t0)＝[a(t0)，e(t0)，i(t0)，Ω(t0)，ω(t0)，f(t0)]，平均轨道角速度为 其中μ为地心引力常数，a为半长轴，e为偏心率，i为轨道倾角，Ω为升交点赤经，ω为近拱点角距，f为真近点角。
[0010] 该定轨数据在轨道坐标系下的位置、速度均方差分别为σr(t0)＝[σx(t0)，σy(t0)，σz(t0)]T与 其中轨道坐标系的原点在航天器质心，x轴由地心指向航天器方向，y轴垂直于x轴沿轨道运动方向，z轴沿轨道法向并构成右手坐标系。t0时刻的定轨误差协方差矩阵表示为
[0011]
[0012] t0时刻定轨误差传播到机动后定轨时刻tf的影响协方差矩阵为T
[0013] Cd′(tf，t0)＝Φ(tf，t0)Cd(t0)Φ(tf，t0) (1)
[0014] 其中，τ′＝n(tf-t0)，s′＝sinτ′，c′＝cosτ′，
[0015]
[0016] 第二步：确定机动执行误差影响
[0017] 机动时刻tm，轨道坐标系下标称机动冲量为Δv＝(Δvx，Δvy，Δvz)T，正常执行时机动误差均方差为 对应的误差协方差矩阵为
[0018]
[0019] tm时刻轨道机动误差对机动后定轨时刻tf的影响协方差矩阵为
[0020] CΔv″(tf，tm)＝Φv(tf，tm)CΔvΦvT(tf，tm) (2)
[0021] 其中，τ″＝n(tf-tm)，s″＝sinτ″，c″＝cosτ″，
[0022]
[0023] 第三步：确定轨道误差综合影响范围
[0024] 机动后定轨时刻tf，航天器位置速度为RD(tf)、VD(tf)，对应的轨道要素为ED(tf)＝[a(tf)，e(tf)，i(tf)，Ω(tf)，ω(tf)，f(tf)]。该定轨数据在轨道坐标系下的位置、速度均方差分别为σr(tf)＝[σx(tf)，σy(tf)，σz(tf)]T与 tf时刻的定轨误差协方差矩阵表示为
[0025]
[0026] 因此轨道误差的综合影响协方差矩阵为
[0027] Cd″(tf)＝Cd′(tf，t0)+CΔv″(tf，tm)+Cd(tf)
[0028] 将上式代入公式(1)与(2)，可得公式(3)，
[0029] Cd″(tf)＝Φ(tf，t0)Cd(t0)ΦT(tf，t0)+Φv(tf，tm)CΔvΦvT(tf，tm)+Cd(tf) (3)[0030] Cd″(tf)六个对角线元素的均方根记为σx、σy、σz、 、 与 ，分别表示误差综合影响三个位置分量与三个速度分量的均方差。
[0031] 第四步：判别轨道机动是否存在故障
[0032] 根据机动前定轨状态RD(t0)、VD(t0)及机动参数Δv进行轨道仿真，获得机动标称执行情况下tf时刻航天器状态为RP(tf)、VP(tf)，对应的轨道要素为EP(tf)。
[0033] tf时刻，轨道仿真状态与定轨状态在轨道坐标系中的相对位置为
[0034] r＝ψ3[u(tf)]ψ1[i(tf)]ψ3[Ω(tf)][RP(tf)-RD(tf)]
[0035] 相对速度为
[0036]
[0037] 其中，u(tf)＝ω(tf)+f(tf)，
[0038]
[0039]
[0040] 当r与v满足公式(4)时，认为轨道机动执行正常；
[0041]
[0042] 否则，认为轨道机动可能存在故障。
[0043] 采用本发明可以达到以下技术效果：
[0044] 1.利用已有的轨道测量数据进行轨道机动故障判别。发明中涉及的机动前定轨数据及误差均方差、机动后定轨数据及误差均方差，以及轨道机动冲量及误差均方差都是当前轨道控制过程中已有的数据，利用这些数据进行机动故障判断不会妨碍已有的飞行控制流程。本发明已应用于我国首次交会对接试验的轨道控制中。
[0045] 2.本发明采用的算法简单，计算速度快，实时性好，已应用于实际轨道飞行控制，在CPU2.8GHz计算机上进行一次计算，总耗时不超过1分钟，效率高。
[0046] 总之，本发明具有实用、简单和计算速度快等的优点，具有广阔的应用前景。
[0047] 本发明的优点在于：
[0048] 1、利用已有的轨道测量数据进行轨道机动故障判别，不妨碍已有的航天器飞行控制流程；
[0049] 2、通过解析的方法进行误差影响传播，算法简单、速度计算快。
具体实施方式
[0050] 本发明的具体实施流程如下：
[0051] 第一步：确定机动前定轨误差影响
[0052] 通过解析方法将机动前定轨误差协方差矩阵传递到机动后定轨时刻。
[0053] 第二步：确定机动执行误差影响
[0054] 通过解析方法将机动冲量误差协方差矩阵传递到机动后定轨时刻。
[0055] 第三步：确定轨道误差综合影响范围
[0056] 将机动前定轨误差影响、机动执行误差影响及机动后定轨误差的协方差矩阵相加作为轨道误差综合影响协方差矩阵。
[0057] 第四步：判别轨道机动是否存在故障
[0058] 将机动后定轨数据与标称轨道做差，通过比较该差值及由误差综合影响协方差矩阵确定的正常轨道偏差范围判断轨道机动是否存在故障。
