用於生成軌道數據的方法和裝置的製作方法
2023-12-05 12:33:26 1
專利名稱：用於生成軌道數據的方法和裝置的製作方法
為了維持或者改變圍繞地球軌道運行的衛星相對地球的定位及其軌道路徑，要求該衛星連續地得到有關其方位的數據。除了調整天線陣列、太陽能電池陣列之外，其它的一些通用功能也要依靠該信息。目前，這些數據多數都是通過自動或者人工幹預方式而從地面站上載得到。由於衛星圍繞地球軌道運行時通信中的間隙，所以不能以連續方式來上載數據。
在需要該信息的功能中，其主要實例就是衛星的姿態控制。通過衛星自身探測到的地球、太陽、恆星以及其它衛星的位置，現代衛星可以有多種手段來收集信息。此外在衛星自帶的計算機內還可以存儲軌道日曆(天文歷)，其中包括期望的軌道路徑和衛星姿態的預定計劃。另外還有一個預測重複波動的資料庫可以被存儲，並且根據實際情況來更新。根據這一數據，可以預知軌道模型，並且該軌道模型可以用於糾正姿態、軌道位置以及各種陣列聚焦中所出現的錯誤。
在涉及地球同步軌道的情況中，由於衛星相對地球的位置是保持不變的，所以數據要相對穩定一些。隨著軌道變得更加複雜，則數據也會隨之變得更加動態化。隨著商用衛星的出現，對複雜軌道也有了更多的需求，複雜軌道能夠在需求比較大的特定區域內提供更長的「懸空時間」。這種軌道的一個實例就是所謂的Tundra軌道，它是一種傾斜的橢圓恆星日軌道。這種軌道中地球的相對位置不再是恆定的，且需要連續更新有關地球以及星系中其它參照物的數據。可以預見當採用這種軌道時，根據該衛星所能提供的應用，衛星軌道和姿態數據需要以每十秒鐘的頻率進行更新。
因此需要一種方法去傳播衛星上存儲的所需要的信息。該信息需要被轉換成為適用於各種功能的參考結構。本發明的一個目的就在於提供一種衛星自帶系統，用於生成近似實時的數據消息(包括太空飛行器的位置和速度)，從而在衛星自身所探測到的有關地球、太陽以及其它探測器數據的基礎上，更加有效地進行空間站的保持，而且可以更加精確地控制衛星的姿態、太陽能電池陣列以及天線指向等。
衛星控制數據以狀態向量和狀態向量積的形式被生成，它表示空間飛行器相對地球、太陽、月亮以及地球上特定位置的方位以及幾何關係。這些數據被用於控制衛星的姿態、SADA控制、天線指向、動量管理以及地球傳感器掃描禁止調度。衛星自帶的軌道傳播器預測數據，並且把該數據集成到各種不同功能的控制系統內。以十秒鐘的固定間隔生成採用地心赤道坐標結構的狀態向量，其中包括衛星的方位、速度以及曆元。根據此數據可以生成一系列的向量積來為特定功能服務。向量積被組織成兩組，其中一組是與姿態無關的向量積，另一種是與姿態相關的向量積。表示姿態分布的數據子集是基於姿態無關向量積的，並且它與姿態相關組相結合。這些輸出被用於各種功能控制，為閉環的功能控制提供理想的解決方案。在探測到的參考信號基礎上，為比較此系統的軌道傳播器所生成的理想解決方案，傳感器處理器可以提供實時的方位姿態。
每一次生成狀態向量以確保連續的性能時，都會執行有效性檢驗。預測的狀態向量可以通過兩種方法來進行檢驗。一種方法是在預測的狀態向量方位和速度的基礎上，計算角動量向量。並且與前一個動量向量進行比較，去檢測異常的變化。由於在高能量軌道中(要被使用的其中一種類型)該動量向量會保持得相當平穩，因此任何較小的波動都是可疑的，都會導致無效的判定。此外還要計算當前的升交角距，並且與先前的升交角距相比較，以獲得變化速率。然後該變化速率與軌道中的最大角速率相比較。較大的角速率也會導致生成無效的判定。為使傳播過程穩定，無效性也會導致在軌道傳播器中插入上一個有效的狀態向量。而有效的判定會導致緩存該狀態向量以用於生成下一級向量積。
隨後參考附圖詳細地描述本發明，其中
圖1和圖2是本發明的系統框圖；圖3a和圖3b是本發明的方法流程圖；圖4是本發明中所使用的軌道傳播器的框圖；圖5A和圖5B給出姿態無關向量積的列表；以及圖6給出姿態相關向量積的列表。
衛星配備有控制計算機，用於管理計算機的功能。該計算機由一系列相互連接的處理器構成，這些處理器由駐留在計算機中的程序來操作。一組這樣的處理器(被稱為傳播器1)共同協作，根據按軌道運行的衛星的要求去周期性地預測狀態向量。該狀態向量包括在特定時刻或曆元內所預測的衛星期望位置和速度。為了便於描述和理解，採用術語處理器或模塊來描述離散的功能單元。應該可以理解到，這些功能可以等效地由在一個或幾個計算機或微處理器上運行的軟體或固件功能塊來執行。
如圖1所示，一個地面控制計算機10與衛星進行通信，以便上載初始狀態向量以及其它數據到軌道傳播器1中，所述其它數據包括傳播過程的定時、衛星的屬性以及參考結構。在集成的建模軟體的驅動下，軌道傳播器1生成預測的狀態向量，並且把它提供給姿態無關處理器2以及姿態相關處理器3。在該狀態向量和其它輸入的基礎上，每一個處理器2和3生成一系列的二級向量積。該二級向量積被設計去驅動用於特定衛星功能的閉環控制，例如姿態控制、太陽能電池帆板陣列調整、地球傳感器掃描禁止定時、動量管理以及天線指向。姿態分布生成器4根據姿態無關處理器2的輸出來提供進一步有關姿態的預測數據。姿態相關處理器3根據來自姿態無關處理器2和姿態分布生成器4的輸入來生成一組向量積。在圖5A、5B以及圖6的表中給出兩組向量積的分布。取決於被控制的期望功能，其它的向量積也是有用的。
功能控制器5包括一系列模塊，它們根據二級向量積計算用於每一個功能調整的預測值。該控制模塊接收必要的探測數據，以生成與該被控制功能相關的錯誤信號。該探測到的數據與預測數據相比較，去獲得錯誤信號，並且驅動激勵器控制。
傳感器處理器6接收來自一系列傳感設備的數據，其中該傳感設備中可以包括一組太陽傳感器、陀螺儀設備、恆星跟蹤器、一個地球掃描器以及其它用於監測參考數據的設備。該傳感器處理器對探測到的數據進行編譯，並且把它轉換成為與預測數據相兼容的參考結構。為了避免地球掃描過程中的不精確性，在太陽和月亮的幹擾期間，禁止該掃描器工作。
如圖2所示，功能控制器5接收姿態無關向量積。姿態控制15根據來自處理器2以及姿態分布生成器4的向量積來計算期望的姿態參數，並且把它與來自傳感器處理器6的探測到的姿態相比較，去點燃推進器或其它姿態調整激勵器。處理器2還提供那些進行動量管理所需的向量積。
如圖2所示，姿態相關向量積被提供給太陽能電池陣列控制器13、地球掃描禁止器14以及天線陣列控制12。
這個對信號進行處理的部分要基於如下幾個因素其中一個是實現各種處理器和模塊處理速率與兼容組的匹配，當然另外一個因素就是要區分姿態無關向量積和姿態相關向量積。如圖所示，姿態相關處理器3的處理速率要與分布生成器4相匹配。
圖4中給出軌道傳播器1的基本部件。根據從軌道判定得到的，以及從地面控制計算機10中上載的初始條件狀態向量，軌道傳播器1以開環方式工作。初始狀態向量的主要處理可以由Runge Kutta集成器18(它被建立用於10秒鐘的傳播步驟)來完成。要在引力地球模型處理器20、太陽/月亮引力模型21以及太陽輻射壓力模型22中預測衛星在一定軌道中所受的各種作用力，並且把它分解到集成器18中的傳播步驟。可以採用例如Goddard地球模型9的引力模型來計算地球引力，該模型在Lerch等人所寫的「Gravity Model ImprovementUsing Geos 3(GEM 9 and 10)(使用Geos 3的引力模型改進)」一文中有描述(Journal Geophysical Reasearch,Vol.84,No.B8,1979年7月)。可以採用Naval Observatory Astronomical Almanacformulas(海洋觀測天文年鑑準則)來預測特定曆元的太陽/月亮方位向量，正如在The Astronomical Almanac for the Year 1997(1997年天文年鑑)中描述的(Nautical Almanac Office,U.S.NavalObservatory,U.S.Government Printing Office,1996)。根據這些方位向量，可以預測引力對地球軌道衛星的影響，參見Bate等人的Fundamentals of Astrodynamics(天文動力學基礎)(DoverPublications，紐約，1971)。太陽輻射壓力可以根據文章Introduction to Geostationary Orbits(同步軌道介紹)中描述的準則來預測(E.Mattias Soop,European Space OperationsCenter,European Space Agency,1983)。
為了集成各種輸入，集成器18必須能夠工作在各種參考結構中，包括地球的慣性以及地球的旋轉。為了完成這些，需要在矩陣處理器19中建立旋轉、章動和進動矩陣，並且所述矩陣在當前狀態向量的傳播期間被用於轉換，以啟動慣性結構的使用。該當前狀態向量對日期、慣性參考結構來說是正確的。
在運行中，在軌道傳播器1中預測當前狀態向量，並且按照圖3A所示來檢驗其有效性。在圖3B中給出有效性檢驗循環。一個有效的當前狀態向量被存儲在緩存器17中以便由各處理器調用。根據當前的狀態向量，要準備兩組二級向量積，並且它們被轉換用於上述標識的特定功能的控制環路中。為了處理的兼容性，這兩組數據被選擇為姿態無關的和姿態相關的。該姿態無關向量積直接基於當前的狀態向量，而姿態相關向量積要基於無關向量積以及預測的姿態分布。在功能控制處理器5中比較探測到的相關數據與預測的功能數據，以生成用於各種調整機制的激勵指令。
有效性檢驗被設計成一種簡單的方法，它在由於地面控制上載或軌道傳播過程中的數據損壞而發生錯誤時，可以快速地拒絕當前狀態向量。作為有效性的主要檢驗，在有效性檢驗處理器中要根據當前狀態向量方位和速度向量來計算角動量。由於該數值在高能量軌道中(本發明被設計用於的一種軌道)預期是固定的，所以不穩定的指示也會導致拒絕當前的狀態向量。另外一種補充檢驗也被執行，它要求基於當前的狀態向量計算升交角距。由於該數值的變化速率是重複的，所以將它與最快的軌道變化角速率進行比較。如果速率超出，則認定當前狀態向量無效，並且被報告回來以啟動一個安全模式。在每一次無效事件中，需要簡單的單一路徑來恢復系統。為提供這一功能，需要向軌道傳播器提供上一個有效的當前狀態向量，並且在此基礎上繼續進行傳播。
因此提供了一種控制系統，它能夠顯著地改善衛星的自治性，即使複雜軌道要求對軌道信息進行頻繁的周期性的更新。該信息流經過簡化而更有效率，因此可以允許當前狀態向量以十秒鐘的間隔頻繁地進行傳播。當前狀態向量很容易被有效化，從而避免了數據損壞的問題。
權利要求
1．在用於衛星的控制系統中的、用於處理包括方位、速度以及曆元的當前狀態向量的一組計算機模塊，所述衛星包括一個被構造用於預測所述當前狀態向量以用於該衛星的功能控制的軌道傳播器，所述計算機模塊包括第一處理器，被連接去接收該當前狀態向量，並且生成第一組姿態無關的向量積；姿態分布生成器，被連接去接收第一組向量積，並且在此基礎上生成姿態分布；第二處理器，被連接去接收該第一組向量積以及該姿態分布，並且在該接收到的數據基礎上，該第二處理器生成第二組與姿態相關的向量積；傳感器處理器，被連接去接收衛星上所帶的傳感器陣列所探測到的參考數據；以及閉環功能控制處理器，它由軟體操作的控制模塊構成，被設計用於向與該衛星特定功能相關的多個激勵器提供錯誤校正數據，每一個所述控制模塊被連接去接收選中的該第一和第二組中的向量積，該選中的向量積要與該模塊被分配的功能相關，每一個所述控制模塊還被連接去接收相應的探測數據，並且每一個模塊比較該向量積的預測值與該探測到的數據，以便去計算校正量。
2．如權利要求1中描述的在用於衛星的控制系統中的、用於處理包括方位、速度以及曆元的當前狀態向量的一組計算機模塊，所述衛星包括一個被構造用於預測所述當前狀態向量以用於該衛星的功能控制的軌道傳播器，其特徵在於，其中該傳感器處理器從一組太陽傳感器、陀螺儀傳感器、恆星跟蹤器以及/或地球傳感器當中的至少一個中接收探測到的數據。
3．如權利要求1中描述的在用於衛星的控制系統中的、用於處理包括方位、速度以及曆元的當前狀態向量的一組計算機模塊，所述衛星包括一個被構造用於預測所述當前狀態向量以用於該衛星的功能控制的軌道傳播器，其特徵在於，其中該功能控制處理器包括一組模塊，所述模塊被設計去生成用於控制下列功能當中的至少一個功能的校正數據，所述功能有姿態控制、動量管理、天線陣控制、太陽能電池陣列控制以及/或者地球掃描禁止調度。
4．如權利要求1中描述的在用於衛星的控制系統中的、用於處理包括方位、速度以及曆元的當前狀態向量的一組計算機模塊，所述衛星包括一個被構造用於預測所述當前狀態向量以用於該衛星的功能控制的軌道傳播器，其特徵在於，其中還包括有效性檢驗系統，它包括由第一軟體運行的第一處理器，去接收該當前狀態向量，並且在此基礎上計算當前角動量，該第一處理器還比較該當前動量與先前計算的動量，以判定該當前動量是否指示動量穩定；由第二軟體運行的第二處理器，去接收該當前狀態向量，並且在此基礎上計算當前的升交角距，該第二處理器還比較該當前的升交角矩與先前的升交角矩，以判定變化速率，並且進一步比較該變化速率與該軌道的最快角速率，以判定該變化速率是否超過了該最快速率；以及其中在當前角動量指示不穩定或升交角距的變化速率超過了該軌道的最快速率時，該處理器生成指示無效的信號，而且為了響應信號的無效性，向該軌道傳播器提供上一個有效的狀態向量。
5．如權利要求1中描述的在用於衛星的控制系統中的、用於處理包括方位、速度以及曆元的當前狀態向量的一組計算機模塊，所述衛星包括一個被構造用於預測所述當前狀態向量以用於該衛星的功能控制的軌道傳播器，其特徵在於，還包括一個旋轉/章動/進動矩陣生成器，以便向軌道傳播器提供數據，用於在多個參考結構中轉換數據，並且允許在慣性參考結構中預測該當前狀態向量。
6．一種在用於衛星的控制系統中處理包括位置、速度以及曆元的當前狀態向量的方法，所述衛星包括一個被構造用於預測所述的當前狀態向量以用於衛星功能控制的軌道傳播器，所述方法包括如下步驟接收該當前狀態向量，並且在此基礎上生成第一組姿態無關向量積；在該第一組向量積的基礎上，生成姿態分布；在該第一組向量積與該姿態分布的基礎上，生成第二組姿態相關的向量積；處理由衛星上所帶的傳感器陣列探測到的參考數據；以及在選中的該第一和第二組的、與該衛星被分配的功能相關的向量積以及與該經過處理的傳感數據進行比較的基礎上，計算用於該被分配功能的校正量。
7．如權利要求6中描述的在用於衛星的控制系統中處理包括位置、速度以及曆元的當前狀態向量的方法，所述衛星包括一個被構造用於預測所述的當前狀態向量以用於衛星功能控制的軌道傳播器，其特徵在於，其中該被處理的參考數據包括來自下列裝置中的至少一個的數據，所述裝置為一組太陽傳感器、陀螺儀傳感器、恆星跟蹤器以及/或者地球傳感器。
8．如權利要求6中描述的在用於衛星的控制系統中處理包括位置、速度以及曆元的當前狀態向量的方法，所述衛星包括一個被構造用於預測所述的當前狀態向量以用於衛星功能控制的軌道傳播器，其特徵在於，其中該被分配的功能包括下列功能中的至少一個，所述功能為姿態控制、動量管理、天線陣列控制、太陽能電池陣列控制、以及/或者地球掃描禁止調度。
9．如權利要求6中描述的在用於衛星的控制系統中處理包括位置、速度以及曆元的當前狀態向量的方法，所述衛星包括一個被構造用於預測所述的當前狀態向量以用於衛星功能控制的軌道傳播器，其特徵在於，還包括如下步驟接收該當前狀態向量；在該當前狀態向量的基礎上，計算角動量向量；在該當前狀態向量的基礎上，計算升交角距；比較該角動量向量與先前計算的角動量向量，以判定該動量是否穩定；比較該升交角距與先前計算的升交角距，以判定是否超過了該軌道的最快角速率；當角動量被判定為非穩定或者超過了軌道的最快角速率時，通知系統控制無效的當前狀態向量被傳播；為響應無效信號，向軌道傳播器輸入先前的有效的當前狀態向量；以及當判定到該有效性時，存儲當前狀態向量以供使用。
10．如權利要求6中描述的在用於衛星的控制系統中處理包括位置、速度以及曆元的當前狀態向量的方法，所述衛星包括一個被構造用於預測所述的當前狀態向量以用於衛星功能控制的軌道傳播器，其特徵在於，還包括一個生成旋轉/章動/進動矩陣的步驟，以便向軌道傳播器提供數據，用於在多個參考結構中轉換數據，並且允許在慣性參考結構中預測該當前狀態向量。
11．一種在用於衛星的控制系統中確認包括位置、速度以及曆元的當前狀態向量的方法，所述衛星包括一個被構造用於重複預測所述當前狀態向量以用於衛星功能控制的軌道傳播器，所述方法包括如下步驟接收該當前狀態向量；在該當前狀態向量的基礎上，計算角動量向量；在該當前狀態向量的基礎上，計算升交角距；比較該角動量向量與先前計算的角動量向量，以判定該動量是否穩定；比較該升交角距與先前計算的升交角距，以判定是否超過了該軌道的最快角速率；當該角動量被判定為非穩定或者超過了軌道的最快角速率時，通知系統控制無效的當前狀態向量被傳播；為響應無效信號，向軌道傳播器輸入先前的有效的當前狀態向量；以及當判定到該有效性時，存儲當前狀態向量以供使用。
12．一種在用於衛星的控制系統中的有效性檢驗系統，所述衛星包括一個被構造用於預測包括位置、速度以及曆元的當前狀態向量以用於衛星功能控制的軌道傳播器，所述有效性檢驗系統包括由第一軟體運行的第一處理器，去接收該當前狀態向量，並且在此基礎上計算當前角動量，該第一處理器還比較該當前動量與前一個計算的動量，以判定該當前動量是否指示動量穩定；由第二軟體運行的第二處理器，去接收該當前狀態向量，並且在此基礎上計算當前的升交角矩，該第二處理器還比較該當前的升交角矩與先前的升交角矩，以判定變化速率，並且進一步比較該變化速率與該軌道的最快角速率，以判定該變化速率是否超過了該最快速率；以及其中在當前角動量指示不穩定或升交角距的變化速率超過了該軌道的最快速率時，該處理器生成指示無效的信號，而且為了響應信號的無效性，向該軌道傳播器提供上一個有效的狀態向量。
全文摘要
衛星控制數據以狀態向量和狀態向量積的形式被生成,它表示空間飛行器相對地球、太陽、月亮以及地球上特定位置的方位以及幾何關係。這些數據被用於控制衛星的姿態、SADA控制、天線指向、動量上載以及地球傳感器幹擾。衛星自帶的軌道傳播器預測數據,並且把該數據集成到各種用於不同功能的控制系統內。
文檔編號B64G1/24GK1315787SQ0111091
公開日2001年10月3日 申請日期2001年2月28日 優先權日2000年3月1日
發明者L·A·巴克爾 申請人:太空系統/羅拉爾有限公司