基于线性协方差方法的交会对接误差分析

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1、48中国空间科学技术2011年2月ChineseSpaceScienceandTechnology第1期基于线性协方差方法的交会对接误差分析王大鹏刘育强陈绍龙刘永健(中国空间技术研究院，北京100094)摘要将线性协方差分析方法和蒙特卡罗仿真相结合，按交会任务和飞行特征把交会过程分为变轨飞行、自由飞行和中途速度修正三种特征段，研究了状态误差的传播规律和交会过程中各种误差对交会对接精度的影响。在变轨飞行段，分析了追踪航天器的姿态误差、控制系统性能状态估计误差，以及目标航天器轨道摄动对状态误差传播的影响。在自由飞行段，分析了追踪航天器

2、估计状态误差的先验值和测轨误差对状态误差传播的影响。在中途速度修正段，分析了追踪航天器姿态误差和控制系统性能误差时状态误差传播的影响。仿真结果表明，误差分析方法设计合理，可以指导交会对接的轨道设计工作，能对已经设计好的交会策略进行误差分析和设计验证。关键词交会对接误差分析协方差蒙特卡罗仿真航天器DoI：10．3780／j．issn．1000—758X．2011．01．0071引言交会对接是完成在轨燃料加注、在轨组装、空间救援及近场监视等任务的关键支撑性技术。交会策略的可行性、安全性、终点可达精度是交会对接任务在执行之前必须给出评估

3、的关键问题，而误差分析正是解决这一问题的基本工具。目前，国内交会对接的研究工作主要集中在Hill方程(也称C-W方程)的制导误差分析[Iq3和寻的段飞行方案研究L3叫3上；在研究方法上主要采用蒙特卡罗(MonteCarlo)方法进行打靶仿真，分析导航误差和控制误差对终端交会精度的影响。本文拟采用线性协方差和MonteCarlo仿真相结合的思路进行研究，其优点是不仅可以分析终端交会精度，还可以对交会对接整个相对导航阶段各项误差的影响程度及误差的传播规律进行系统分析。线性协方差分析方法是一种可用于交会对接、大气层进入、小推力电推进、编

4、队飞行及探月飞行等众多空间任务和GN&C(Guidance，NavigationandContr01)问题的解析方法，具备用于星上自主任务规划的潜力[5]。MonteCarlo仿真则是用于系统输出不确定性分析的最精确方法。本文结合线性协方差分析方法与MonteCarlo仿真，对交会对接相对导航阶段进行误差分析，其中线性协方差方法用于分析状态误差的传播规律及各误差对交会对接精度的影响程度，MonteCarlo仿真用于模拟系统输出的不确定性。2误差分析总体思路交会对接误差分析的基本思路是将交会轨道按任务和飞行特征分为基本的段，采用线性

5、协方差方法和MonteCarlo方法对交会轨道进行仿真。在每次仿真过程中，误差分析都以闭环制导轨道为参考轨道，误差从相对导航阶段的起始点沿参考轨道逐次传播，经过多次仿真后利用概率公式求解牧稿Fi期：2010-05-28．收修改耩El期：2010-08—222011年2月中国空间科学技术49误差分析的统计结果l在仿真的各个基本段，其基本的输入、输出分别是该段起始时刻和结束时刻的实际状态误差、估计状态误差和估计状态误差的协方差。2．1参数定义(1)坐标系定义目标航天器轨道坐标系：原点在目标航天器在轨时的质心；2轴由质心指向地心；,27

6、轴在轨道面内，垂直于z轴，指向速度方向；Y轴与上述两轴构成右手系(沿轨道面负法向)。追踪航天器轨道坐标系定义与此相似，只是原点在追踪航天器在轨时的质心。(2)状态矢量定义选择目标航天器轨道坐标系作为滤波坐标系，将追踪航天器在该坐标系下的相对位置和相对速度定义为滤波器状态矢量，即：X--b，Y，2，让，巩，％]。文中误差分析即指状态矢量的误差分析。实际状态误差8xA和估计状态误差8Xe定义为艿XA=XA—XR(1)8XE=XE—XR(2)式中xn、xA、‰分别表示参考状态、实际状态、估计状态I下标R、A、E分别代表参考值、实际值、估

7、计值。(3)误差源考虑相对导航起始点状态误差的初值采用正态分布模拟，其量值大小由入轨精度和相对测量精度确定。发动机推力大小和比冲误差采用正态分布模拟，反映在敏度矩阵中。发动机推力方向误差在平台姿态误差中考虑。测量误差采用正态分布模拟，反映在观测矩阵和滤波过程中。变轨时间统一保留两位小数，截断误差在后续轨道机动中修正。目标航天器轨道摄动在变轨飞行段制导参数的摄动中考虑，反映在敏度矩阵中。2．2交会策略描述整个交会对接飞行过程可以分为远程导引段和近程导引段，近程导引段也称为相对导航段，包括寻的段、接近段、平移段和最终逼近段【6]，在二

8、者的切换点追踪航天器的相对导航和制导设备开始工作，控制追踪航天器相对目标航天器的位置、速度及姿态，完成自主控制交会。本文着重对相对导航段进行交会对接误差分析，所采用的方法原则上也适用于远程导引段。下面简单介绍相对导航段的交会策略。通常在相对导航段的