專利名稱：一種為衛(wèi)星星座提供在軌服務(wù)的服務(wù)軌道設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種航天器軌道的設(shè)計方法，尤其涉及一種為衛(wèi)星星座提供在軌服務(wù) 的服務(wù)軌道設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
隨著空間技術(shù)的發(fā)展，如何保證航天器在復(fù)雜空間環(huán)境中長期正常工作，最大限 度地延長航天器的在軌壽命，已經(jīng)成為航天技術(shù)領(lǐng)域亟待解決的問題?！霸谲壏?wù)”的概念 早在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)提出了，隨著40多年的發(fā)展，形成了以增強航天器性能、延長航 天器使用壽命、降低費用和風(fēng)險為目的，以在軌燃料加注、維護修復(fù)、功能更換和升級、在軌 組裝等為內(nèi)容的在軌服務(wù)技術(shù)。目前，國外的在軌服務(wù)目標(biāo)主要以單顆衛(wèi)星為主，其重點在于演示驗證在軌服務(wù) 技術(shù)。軌道設(shè)計方法為基于交會對接技術(shù)的最優(yōu)交會軌道設(shè)計方法，包括線性最優(yōu)交會的 有限推力最優(yōu)交會軌道設(shè)計方法、脈沖受限的最短時間交會軌道設(shè)計方法以及非線性最優(yōu) 交會的霍曼交會算法、Lambert交會算法等。2005年第6期的《空間科學(xué)學(xué)報》上的文章單個航天器對Walker星座中多衛(wèi)星 的近距離接近和2005年第10期《宇航學(xué)報》上的文章無需變軌實現(xiàn)單航天器對星座中多 衛(wèi)星的近距離接近分別提供了多星近距離接近的圓軌道設(shè)計方法，即設(shè)計與星座衛(wèi)星軌道 同軌道高度的圓軌道，接近星座不同軌道面的多顆衛(wèi)星。但由于服務(wù)軌道和星座目標(biāo)軌道 異面相交，軌道服務(wù)航天器與星座衛(wèi)星接近時，它們之間的相對速度過大，進行軌道服務(wù)的 難度很大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用較少數(shù)量的軌道服務(wù)航天器在有限時間內(nèi)為整個 衛(wèi)星星座進行在軌服務(wù)、且相會時服務(wù)航天器與星座衛(wèi)星的相對速度小的為衛(wèi)星星座提供 在軌服務(wù)的服務(wù)軌道設(shè)計方法。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下本發(fā)明的為衛(wèi)星星座提供在軌服務(wù)的服務(wù)軌道設(shè)計方法，使所述的服務(wù)軌道為以 地球為焦點的橢圓軌道，與所述的被服務(wù)的衛(wèi)星星座軌道共面相交，且只有一個焦點，所述 橢圓軌道的周期、偏心率和半長軸與所述的衛(wèi)星星座對應(yīng)軌道上目標(biāo)衛(wèi)星間的相位差的關(guān) 系，滿足運行在所述服務(wù)軌道上的軌道服務(wù)航天器每次通過軌道交點時，均與所述的衛(wèi)星 星座對應(yīng)軌道上不同的目標(biāo)衛(wèi)星交會。優(yōu)化的，所述橢圓軌道的參數(shù)確定方法包含以下步驟所述服務(wù)軌道的半長軸aa的確定步驟通過如下公式計算得到
2aa=RJ^(1)R—所述被服務(wù)的衛(wèi)星星座軌道半徑
3
η——所述被服務(wù)的衛(wèi)星星座軌道上衛(wèi)星的個數(shù)
k——和η互質(zhì)的整數(shù)，其取值需使求得的aa和R滿足相交條件一^1 < aa，其中 R0為地球半徑所述服務(wù)軌道的離心率ea的確定步驟，通過如下公式計算得到 R—所述被服務(wù)的衛(wèi)星星座軌道半徑aa——所述服務(wù)軌道的半長軸所述服務(wù)軌道的軌道傾角的確定步驟所述服務(wù)軌道的軌道傾角等于所述被服務(wù) 衛(wèi)星星座軌道的軌道傾角；所述的服務(wù)軌道的升交點赤經(jīng)的確定步驟所述的服務(wù)軌道的升交點赤經(jīng)等于所 述的被服務(wù)衛(wèi)星星座軌道的升交點赤經(jīng)；所述的服務(wù)軌道的近地點幅角的確定步驟所述的服務(wù)軌道的近地點幅角等于所 述的被服務(wù)衛(wèi)星星座軌道的近地點幅角；所述的服務(wù)軌道的參考時刻真近點角的確定步驟包含以下步驟第一步根據(jù)式(3)計算所述服務(wù)衛(wèi)星參考時刻的偏近點角Ea f0—所述第一顆被選定服務(wù)衛(wèi)星參考時刻真近點角第二步將所述服務(wù)衛(wèi)星參考時刻的偏近點角Ea代入式(4)計算得到所述服務(wù)衛(wèi)
星參考時刻的真近點角fo。
x cosEa -ea. λΛcos/,=-——(4)
cosEa本發(fā)明的有益效果如下本發(fā)明的為衛(wèi)星星座提供在軌服務(wù)的服務(wù)軌道設(shè)計方法，在軌道服務(wù)航天器數(shù)目 一定的情況下，可實現(xiàn)較小的目標(biāo)訪問時間，并可以遍歷同一軌道面內(nèi)的不同目標(biāo)；同時， 軌道服務(wù)航天器與目標(biāo)衛(wèi)星交會的相對速度小，能夠降低對軌道服務(wù)航天器的機動能力要 求。


圖1為發(fā)明單交點橢圓服務(wù)軌道設(shè)計方法原理圖；圖2本發(fā)明單交點橢圓服務(wù)軌道設(shè)計方法具體實施圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供的服務(wù)軌道設(shè)計方法是一種用較少數(shù)量的軌道服務(wù)航天器在有限時 間內(nèi)為整個衛(wèi)星星座進行在軌服務(wù)的單交點橢圓服務(wù)軌道設(shè)計方法。本發(fā)明的服務(wù)軌道設(shè) 計方法利用星座每個軌道面上的衛(wèi)星均勻分布的構(gòu)型特點，以軌道面為單位，每個星座軌 道面布置一顆軌道服務(wù)航天器。設(shè)計軌道服務(wù)航天器的軌道為以地球為焦點的橢圓軌道，
4該橢圓軌道與星座對應(yīng)軌道在遠(yuǎn)地點處以單交點方式共面相交，且半長軸和偏心率與星座 對應(yīng)軌道上目標(biāo)衛(wèi)星間的相位差滿足一定關(guān)系，使得單個軌道服務(wù)航天器每次通過軌道交 點時都與星座對應(yīng)軌道上的不同目標(biāo)衛(wèi)星交會，從而進行各項在軌的服務(wù)操作。本發(fā)明基 于星座目標(biāo)服務(wù)任務(wù)，適用于星座每個軌道面上的衛(wèi)星均勻分布或近似均勻分布的情況， 軌道服務(wù)航天器與目標(biāo)衛(wèi)星交會的相對速度小、時間窗口持續(xù)時間長，對不同的在軌服務(wù) 任務(wù)都具有良好的適應(yīng)性。下面結(jié)合實例和附圖對本發(fā)明的單交點橢圓服務(wù)軌道設(shè)計方法做進一步說明。圖1給出了本發(fā)明單交點橢圓服務(wù)軌道設(shè)計方法的原理圖。單交點橢圓服務(wù)軌道 12和星座目標(biāo)軌道11以單交點方式共面相交，軌道服務(wù)航天器14每次與星座目標(biāo)軌道面 上的不同目標(biāo)衛(wèi)星13在交點處交會。參照圖2介紹本發(fā)明的服務(wù)軌道設(shè)計方法的具體實施過程。以星座衛(wèi)星一個軌道 面為例，η顆衛(wèi)星——衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、……衛(wèi)星η在軌道半徑為R的圓軌道上均勻 分布。軌道服務(wù)航天器兩次經(jīng)過軌道交點之間的時間差為Ta，即單交點橢圓服務(wù)軌道的
軌道周期；而在目標(biāo)軌道上，目標(biāo)衛(wèi)星經(jīng)過軌道交點的時間差為$7；，其中Τ。是目標(biāo)軌道的
軌道周期，k為整數(shù)。欲使軌道服務(wù)航天器與目標(biāo)軌道上的所有衛(wèi)星交會，應(yīng)滿足條件
(5)其中k與η互質(zhì)，且k的取值需要使服務(wù)軌道半長軸aa滿足相交條件< ~，
其中Rtl為地球半徑，由公式(5)可以得到服務(wù)軌道的半長軸公式
(1)根據(jù)橢圓服務(wù)軌道在遠(yuǎn)地點處與星座對應(yīng)軌道以單交點方式共面相交，有R = aa+aaea(6)可求出服務(wù)軌道的偏心率公式 設(shè)計服務(wù)軌道的參考時刻真近點角。根據(jù)第一顆被選定服務(wù)衛(wèi)星和軌道服務(wù)航天
器在遠(yuǎn)地點處以單交點方式共面相交，有 其中&為第一顆被選定服務(wù)衛(wèi)星參考時刻的真近點角;fa為服務(wù)衛(wèi)星參考時刻 的真近點角；Ea為服務(wù)衛(wèi)星參考時刻的偏近點角。根據(jù)共面條件，最終可以確定單交點橢圓服務(wù)軌道的軌道傾角、升交點赤經(jīng)和近 地點幅角。
以Walker-δ型星座的一個軌道面為例，設(shè)計單交點橢圓服務(wù)軌道。目標(biāo)軌道參 數(shù)為半長軸26578km偏心率0軌道傾角55°升交點赤經(jīng)0°近地點幅角0°衛(wèi)星數(shù)目6參考時刻真近點角分別為0°、60°、120°、180°、240°、300°目標(biāo)軌道上相鄰兩顆衛(wèi)星之間的相位差為60°，要與全部的6顆衛(wèi)星交會，單交 點橢圓服務(wù)軌道的軌道周期Ta和目標(biāo)軌道的周期Ttl之間應(yīng)滿足關(guān)系式(4)。當(dāng)7； 時，可求出單交點橢圓服務(wù)軌道的半長軸aa = 8049km，不滿足相交條
O
..R + R0
件7； 二 時，可求出單交點橢圓服務(wù)軌道的半長軸aQ = 23536km，滿足相交條件。
6
根據(jù)式(4)求出單交點大橢圓服務(wù)軌道的偏心率ea = 0. 1292。選定參考時刻真近點角為180°的星座衛(wèi)星為第一顆被服務(wù)衛(wèi)星，根據(jù)式(3)、式 (4)求出單交點大橢圓服務(wù)軌道的參考時刻真近點角fa = 180°。根據(jù)共面條件，可以最終確定與該Walker-δ型星座一條目標(biāo)軌道相對應(yīng)的橢圓 服務(wù)軌道的軌道參數(shù)為半長軸23536km偏心率0· 1292軌道傾角55°升交點赤經(jīng)0°近地點幅角0°參考時刻真近點角180°根據(jù)求得的服務(wù)軌道的半長軸及偏心率可以計算得到服務(wù)軌道近地點高度約為 14117km，和星座衛(wèi)星交會時軌道服務(wù)航天器與目標(biāo)衛(wèi)星的速度差約為0. 26km/s，相鄰兩次 交會的時間間隔約為10h?？梢?，本發(fā)明能夠使每條服務(wù)軌道上的單個軌道服務(wù)航天器在有 限時間內(nèi)與對應(yīng)星座軌道上的所有衛(wèi)星交會，從而進行各項在軌的服務(wù)操作。且本發(fā)明軌 道服務(wù)航天器與目標(biāo)衛(wèi)星交會的相對速度小、時間窗口持續(xù)時間長，能夠有效地縮短服務(wù) 任務(wù)時間，減少對軌道服務(wù)航天器的數(shù)量需求和降低對軌道服務(wù)航天器的機動能力要求。
權(quán)利要求
一種為衛(wèi)星星座提供在軌服務(wù)的服務(wù)軌道設(shè)計方法，其特征在于所述的服務(wù)軌道為以地球為焦點的橢圓軌道，與所述的被服務(wù)的衛(wèi)星星座軌道共面相交，且只有一個交點，所述橢圓軌道的周期、偏心率和半長軸與所述的衛(wèi)星星座對應(yīng)軌道上目標(biāo)衛(wèi)星間的相位差的關(guān)系，滿足運行在所述服務(wù)軌道上的軌道服務(wù)航天器每次通過軌道交點時，均與所述的衛(wèi)星星座對應(yīng)軌道上不同的目標(biāo)衛(wèi)星交會。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的為衛(wèi)星星座提供在軌服務(wù)的服務(wù)軌道設(shè)計方法，其特征在 于所述橢圓軌道的參數(shù)確定方法包含以下步驟所述服務(wù)軌道的半長軸aa的確定步驟通過如下公式計算得到 R——所述被服務(wù)的衛(wèi)星星座軌道半徑 η——所述被服務(wù)的衛(wèi)星星座軌道上衛(wèi)星的個數(shù) k——和η互質(zhì)的整數(shù)，其取值需使求得的aa和R滿足相交條件Ijl < ~，其中Rci為 地球半徑所述服務(wù)軌道的離心率6。的確定步驟，通過如下公式計算得到 R——所述被服務(wù)的衛(wèi)星星座軌道半徑 aa——所述服務(wù)軌道的半長軸所述服務(wù)軌道的軌道傾角的確定步驟所述服務(wù)軌道的軌道傾角等于所述被服務(wù)衛(wèi)星 星座軌道的軌道傾角；所述的服務(wù)軌道的升交點赤經(jīng)的確定步驟所述的服務(wù)軌道的升交點赤經(jīng)等于所述的 被服務(wù)衛(wèi)星星座軌道的升交點赤經(jīng)；所述的服務(wù)軌道的近地點幅角的確定步驟所述的服務(wù)軌道的近地點幅角等于所述的 被服務(wù)衛(wèi)星星座軌道的近地點幅角；所述的服務(wù)軌道的參考時刻真近點角的確定步驟包含以下步驟 第一步根據(jù)公式(3)計算所述服務(wù)衛(wèi)星參考時刻的偏近點角Ea f0——所述第一顆被選定服務(wù)衛(wèi)星參考時刻真近點角第二步將所述服務(wù)衛(wèi)星參考時刻的偏近點角Ea代入公式(4)計算得到所述服務(wù)衛(wèi)星 參考時刻的真近點角&。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用較少數(shù)量的軌道服務(wù)航天器在有限時間內(nèi)為整個衛(wèi)星星座進行在軌服務(wù)的服務(wù)軌道設(shè)計方法。所述設(shè)計方法利用星座構(gòu)型的特點，以軌道面為單位，每個星座軌道面布置一顆軌道服務(wù)航天器，設(shè)計與星座對應(yīng)軌道以單交點方式共面相交的橢圓服務(wù)軌道，讓單交點橢圓服務(wù)軌道的半長軸和偏心率與星座對應(yīng)軌道上目標(biāo)衛(wèi)星間的相位差滿足一定關(guān)系，使得單個軌道服務(wù)航天器每次通過軌道交點時都與星座對應(yīng)軌道上的不同目標(biāo)衛(wèi)星交會，從而進行各項在軌的服務(wù)操作。本發(fā)明基于星座目標(biāo)服務(wù)任務(wù)，軌道服務(wù)航天器與目標(biāo)衛(wèi)星交會的相對速度小、時間窗口持續(xù)時間長，對不同的在軌服務(wù)任務(wù)都具有良好的適應(yīng)性。
文檔編號G05D1/10GK101916114SQ20101014627
公開日2010年12月15日 申請日期2010年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月14日
發(fā)明者宋旭民, 張育林, 王兆魁, 王敏, 范麗, 蔣超 申請人:清華大學(xué)