本發(fā)明涉及衛(wèi)星軌道設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種近地圓軌道的兩星聯(lián)合使用相位差初始化設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

兩星或多星的聯(lián)合使用是完成空間任務(wù)的一種非常有效的工作模式，可以達(dá)到單科衛(wèi)星獨立工作所難以達(dá)到的性能。合理設(shè)計聯(lián)合使用方式可以提高時間分別率、加大覆蓋范圍，達(dá)到改善覆蓋特性的目的。

近地圓軌道的兩星聯(lián)合使用對兩星之間的軌道關(guān)系提出了一定的要求，即兩星構(gòu)型應(yīng)滿足星座對地最大重訪時間不超過要求值。為確保實現(xiàn)這一要求，兩星軌道需要滿足：

(1)具有良好的星下點重復(fù)特性，這對兩星相位差提出了要求；

(2)為避免兩星相位差呈現(xiàn)發(fā)散趨勢，兩星軌道應(yīng)長期處在同一高度。

實際工程中，往往是在一顆星(以下稱“01星”)已在軌的情況下，發(fā)射第二顆星(以下稱“02星”)。02星實際入軌后，兩星高度不同是難以避免的，初始相位差一般不會正好等于標(biāo)稱設(shè)計值。因此，在02星入軌后，為達(dá)到相位匹配的軌道調(diào)整來對兩星構(gòu)型進行初始化是必要的。

對于可隨時進行速度切向變軌的衛(wèi)星，兩星構(gòu)型初始化過程較為簡便，在入軌后可得兩星標(biāo)稱相位差，待漂移至標(biāo)稱值時(下文稱“相位匹配”)調(diào)整兩星軌道至同一高度即完成調(diào)整。但對于軌道機動能力受約束的衛(wèi)星，其初始化過程的設(shè)計相對較復(fù)雜。本發(fā)明以變軌能力受β角約束為例進行說明。

不同的入軌時間，軌道的β角不同，并按規(guī)律呈現(xiàn)變化，在一些β角區(qū)間內(nèi)，衛(wèi)星處于正飛狀態(tài)，僅可提供正切向推力，即僅可向上調(diào)軌，在另一些區(qū)間內(nèi)，衛(wèi)星偏航機動180°，只可提供負(fù)切向，即僅可向下調(diào)軌，β角處于其它情況不可調(diào)軌。由此，產(chǎn)生調(diào)軌窗口的概念，兩星可調(diào)軌的時段在軌道狀態(tài)已知的情況下被分成若干區(qū)段。將調(diào)軌后兩星軌道高度差變小的稱為窗口A，高度差變大的稱為窗口B，當(dāng)預(yù)估的相位匹配時間不落于窗口A時，單次調(diào)軌不能直接完成初始化，則初始化方案必包含兩次或兩次以上的調(diào)軌。在這種情況下，兩次調(diào)軌時機和調(diào)軌量的分配需要進行具體設(shè)計。02星發(fā)射日期的不確性定帶來了相位差待漂移量的不確定性、入軌高度的不確定性帶來了漂移速度甚至漂移方向的不確定性，加之調(diào)軌窗口的離散分布星使得問題呈現(xiàn)出多種可能，對于每一種可能，必須一一加以區(qū)分并給出不同的解決方案。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種針對兩星聯(lián)合使用構(gòu)型初始化要求的調(diào)軌方案自動化設(shè)計方法，在調(diào)軌窗口受到顯著約束的情況下，為了提高設(shè)計效率，適應(yīng)02星入軌后快速設(shè)計快速決策的需求，免去02星入軌前因輸入條件不確定性造成的大量繁瑣設(shè)計，在兩星任意初始軌道狀態(tài)下均可提供構(gòu)型初始化的解決方案。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一種調(diào)軌方案自動化設(shè)計方法，針對兩星聯(lián)合使用構(gòu)型初始化的要求，包括如下：

1)、設(shè)置計算條件，包括，地球扁率參數(shù)、大氣攝動造成的軌道高度下降速度，仿真時間；

2)、基于扁率和大氣攝動遞推軌道至指定時刻，輸入01星軌道狀態(tài)并遞推至歷元時刻，采用映射J4與軌道半長軸線性衰減結(jié)合的方式，在J4遞推后對半長軸的衰減量和由此產(chǎn)生的相位漂移量進行補償；

3)、根據(jù)兩星軌道參數(shù)生成調(diào)軌窗口，β角對衛(wèi)星姿態(tài)模式具有約束，繼而對調(diào)軌窗口有約束，以歷元時刻兩星軌道參數(shù)出發(fā)，遞推數(shù)十天，可得基于時間軸的β角數(shù)據(jù)，繼而得到調(diào)軌窗口；

4)、根據(jù)兩星軌道參數(shù)判定流程號，選擇主流程；主流程分支1為順行漂移分支，進行匹配時機預(yù)估，結(jié)合上述計算結(jié)果判定后續(xù)方案號并執(zhí)行對應(yīng)的調(diào)軌方案；主流程分支2為逆向漂移分支，執(zhí)行逆向漂移方案，與分支1同時生成兩套并行方案；

5)：對4)生成的方案進行評估，用以判定流程結(jié)束或重新開始。

所述2)中，基于扁率和大氣攝動遞推軌道，在非球型攝動解析遞推法的基礎(chǔ)上加入了軌道高度變化的考慮，能夠有效補償在解析法遞推中因軌道高度變化帶來的顯著相位誤差，確保遞推精度要求和快速性要求，

所述補償按下式進行：

式中，t為遞推時長，a₀,e₀,i₀,Ω₀,ω₀,M₀是初始時刻軌道根數(shù)；映射J₄采用擬平根遞推法；a₂是半長軸二階量，以軌道高度衰減率代入；M₂是平近點角變化二階量，即相位變化補償量。

所述3)中，調(diào)軌窗口由太陽面光照角進行判定，符合一定區(qū)間時，僅可向上調(diào)軌，符合另一區(qū)間時，僅可向下調(diào)軌，其它情況不可調(diào)軌，即不屬于調(diào)軌窗口，將使相位差漂移率變慢的稱為窗口A，反之稱為窗口B。

所述4)中，根據(jù)兩星的軌道參數(shù)進行自動判定，將主流程結(jié)構(gòu)分為兩個層次：其一，根據(jù)兩星軌道高度判定使用主流程1或是主流程2；其二，進入任一主流程中并行運行兩個分支；順行分支中進行匹配時機預(yù)估，并依判定結(jié)果執(zhí)行預(yù)置方案；逆向漂移分支直接執(zhí)行逆向漂移措施和預(yù)置方案；同時輸出兩個并行方案供后續(xù)環(huán)節(jié)評估；

其中，標(biāo)稱相位差的計算由下式表達(dá)：

式中，days為02星軌跡落后于01星軌跡的天數(shù)，ω_e為地球自轉(zhuǎn)速度，和分別為地球非球形攝動引起的相應(yīng)軌道根數(shù)的變化率。

匹配時機預(yù)估方法是：以當(dāng)前兩星相對相位漂移率預(yù)估其漂移至指定標(biāo)稱相位差為匹配的時機，其中涉及的標(biāo)稱相位差目標(biāo)值依據(jù)兩星相位匹配要求計算而得，計算所需的攝動參數(shù)和重訪天數(shù)按需求靈活設(shè)置。

所述調(diào)軌方案為適應(yīng)在指定窗口區(qū)段達(dá)到匹配要求的超調(diào)設(shè)計值和漂移設(shè)計值，形成基于兩次軌控的調(diào)軌方案，合理分配兩次軌控調(diào)整量可達(dá)到前后雙向調(diào)整匹配時機，并使匹配時機落于理想調(diào)軌窗口內(nèi)。

所述逆向漂移方案在主流程的分支2中使用，是兩星相位朝與初始狀態(tài)相反的方向漂移，與分支1并行使用并一同輸出，供后續(xù)環(huán)節(jié)評估。

本發(fā)明提供的一種針對兩星聯(lián)合使用構(gòu)型初始化要求的調(diào)軌方案自動化設(shè)計方法，解決了調(diào)軌窗口受到顯著約束情況下的兩星相位匹配的兩次以上的機動方案設(shè)計問題，按照輸入計算過程量，逐級對問題進行分類討論，通過設(shè)計合理的軌控時機和軌控量，使各次軌控均位于調(diào)軌窗口內(nèi)并滿足構(gòu)型要求；能夠?qū)崿F(xiàn)自動化設(shè)計，解決了輸入不確定性帶來的復(fù)雜設(shè)計問題，便于在入軌后飛控組前方人員和資源有限的情況下，進行當(dāng)場快速設(shè)計快速決策難的問題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法流程框圖；

圖2為本發(fā)明中調(diào)軌窗口示意圖；

圖3為本發(fā)明中相位差標(biāo)稱值設(shè)計示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)說明。

在本實施例中，如圖1所示，本發(fā)明包括如下步驟：

環(huán)節(jié)1：設(shè)置設(shè)計條件

設(shè)置計算所需的條件包括，地球扁率參數(shù)、大氣攝動造成的軌道高度下降速度，仿真時間。

環(huán)節(jié)2：輸入軌道狀態(tài)并遞推

一般情況下，由于采集到的兩星軌道歷元不一致，這里以01星為例，遞推其軌道至與02星相同的歷元，便于后續(xù)環(huán)節(jié)的計算。

輸入01星軌道狀態(tài)并遞推至歷元時刻，采用映射J4與軌道半長軸線性衰減結(jié)合的方式，在J4遞推后對半長軸的衰減量和由此產(chǎn)生的相位漂移量按下式進行補償。

式中，t為遞推時長，a₀,e₀,i₀,Ω₀,ω₀,M₀是初始時刻軌道根數(shù)；映射J₄采用擬平根遞推法，具有精度高、速度快的優(yōu)點，此處不再詳述；a₂是半長軸二階量，以軌道高度衰減率代入；M₂是平近點角變化二階量，即相位變化補償量。

環(huán)節(jié)3：生成窗口

定義β角為軌道面法向量與太陽矢量夾角的余角，其對衛(wèi)星姿態(tài)模式具有約束，繼而對調(diào)軌窗口有約束，以初始情況下02星高于01星為例，兩星調(diào)軌窗口定義如下：

窗口A：01星向上或02星向下，02星軌道高于01星時減小相位漂移率；

窗口B：02星向上或01星向下，02星軌道高于01星時增大相位漂移率。

以歷元時刻兩星軌道參數(shù)出發(fā)，遞推數(shù)十天，可得基于時間軸的β角數(shù)據(jù)，繼而得到窗口A和窗口B，參見圖2。

環(huán)節(jié)4：主流程

環(huán)節(jié)4.1：判定流程號

原則上按照如下分類指定主流程1和主流程2：

主流程1：開始時刻02星高于01星

主流程2：開始時刻02星低于01星

兩者結(jié)構(gòu)相同，具體調(diào)軌方向和窗口方向可能會有相反的情況，本實施例設(shè)計基于流程1的情況進行，流程2的情況同理設(shè)計，本章不再贅述。

針對具體情況，亦可在需要時引入人工參與決策。

環(huán)節(jié)4.2：分支1——判定方案號

本部分給出了頂層主線邏輯，具體的實現(xiàn)方案和方法參見后續(xù)兩部分。

當(dāng)某時刻已知兩星軌道時考慮進行相位匹配，首先計算兩星標(biāo)稱相位差Δu：

兩星之間的相位關(guān)系與它們的星下點軌跡直接相關(guān)，選擇合適的兩星相位差Δu即可在給定的ΔΩ(兩星軌道升交點赤經(jīng)差)下達(dá)到期望的星下點軌跡。

根據(jù)單星軌道特性，相鄰時間兩軌的星下點軌跡將被劃分為若干份，以4天回歸為例，參見圖3。在這4條軌跡中，衛(wèi)星每天占據(jù)一條軌跡，為了盡量讓兩星構(gòu)型的最大重訪時間保持在兩天以內(nèi)，當(dāng)01星占據(jù)標(biāo)號為1的星下點軌跡時，需要讓02星占據(jù)標(biāo)號為3的星下點軌跡，如果02星占據(jù)標(biāo)號為2或4的軌跡，最大重訪時間可能大于2天，但肯定小于54小時(對應(yīng)軌道面夾角90°，對于45°和135°的情況，這一值應(yīng)分別為51小時和57小時)。

對于每個ΔΩ，總能找到一個標(biāo)稱相位差Du滿足本節(jié)所述的要求。兩者之間的關(guān)系與可由下式表達(dá)：

式中，days為02星軌跡落后于01星軌跡的天數(shù)，ω_e為地球自轉(zhuǎn)速度，和分別為地球非球形攝動引起的相應(yīng)軌道根數(shù)的變化率。最后將Du圓整至0～360°即可得到標(biāo)稱相位差。

根據(jù)當(dāng)前兩星高度差和相位差待調(diào)整量進行預(yù)估，預(yù)估方法為：

已知兩星軌道的情況下，按下式預(yù)估相位匹配時機

ΔT＝ΔDu/(n₁-n₂)＝(Δu-Du)·μ^-0.5·(a₁^-1/3-a₂^-1/3)^-1

式中，ΔT為從當(dāng)前起算的匹配時刻，a₁、a₂分別為當(dāng)前01、02星半長軸，Δu＝u₂-u₁表示兩星的當(dāng)前相位差，Du表示標(biāo)稱相位差，n₁，n₂分別表示01星、02星的軌道角速度。

對于滿足下列情況之一的，執(zhí)行方案一：

1)當(dāng)前處于窗口A內(nèi)，并以當(dāng)前漂移速率預(yù)估到能夠在本次窗口A內(nèi)可完成相位匹配的；

2)當(dāng)前不處于窗口A內(nèi)，但以當(dāng)前漂移速率預(yù)估到能夠在下次窗口A內(nèi)可完成相位匹配的；

對于滿足下列情況之一的，設(shè)法降低漂移速率，執(zhí)行方案二；

1)當(dāng)前不處于窗口A內(nèi)，并以當(dāng)前漂移速率預(yù)估到在相位匹配時刻早于下次窗口A的；

對于滿足下列情況之一的，設(shè)法加快漂移速率，執(zhí)行方案三；

1)當(dāng)前處于窗口A內(nèi)，并以當(dāng)前漂移速率預(yù)估到相位匹配時刻晚于當(dāng)前窗口A完成的；

2)當(dāng)前不處于窗口A內(nèi)，并以當(dāng)前漂移速率預(yù)估到相位匹配時刻晚于最近一次窗口A完成的；

環(huán)節(jié)4.3：分支1——執(zhí)行方案

待窗口A內(nèi)，兩星相位符合要求時，向上調(diào)整01星軌道至與02星相同的高度；

待到進入窗口A時，向上調(diào)整01星高度至超調(diào)設(shè)計值，令相位差反向漂移至窗口B內(nèi)并達(dá)到匹配要求。待到窗口B內(nèi)向上調(diào)整02星軌道高度至與01星相同。超調(diào)設(shè)計值的計算如下：

增加01星半長軸使其高于02星，反轉(zhuǎn)漂移方向并確保在窗口B內(nèi)兩星相位達(dá)到匹配。新的01星半長軸由下式計算

ΔDu＝(n₁-n₂)·(T_Bt-T_A0)＝μ^0.5·(a₁^-1/3-a₂^-1/3)·(T_Bt-T_A0)

式中，a₁為待求的01星目標(biāo)半長軸，a₂為02星半長軸，ΔDu為相位差的待漂移量，T_Bt為期望的匹配時刻，位于窗口B內(nèi)，T_A0為起算時刻，位于窗口A內(nèi)。

待到進入窗口B時，向上調(diào)整02星軌道高度至漂移設(shè)計值。隨后等待相位差漂移直至匹配，執(zhí)行方案一。漂移設(shè)計值的計算如下。

用于設(shè)計01星的半長軸目標(biāo)值，用于確保匹配時刻位于窗口A內(nèi)。

通過增加兩星高度差以達(dá)到加快漂移速率的目的，由下式計算

ΔDu＝(n₁-n₂)·(T_At-T_B0)＝μ^0.5·(a₁^-1/3-a₂^-1/3)·(T_At-T_B0)

式中，a₂為待求的02星目標(biāo)半長軸，a₁為01星半長軸，ΔDu為相位差的待漂移量，T_At為期望的匹配時刻，位于窗口A內(nèi)，T_B0為起算時刻，位于窗口B內(nèi)。

環(huán)節(jié)4.4：分支2——執(zhí)行方案

本環(huán)節(jié)即逆向漂移措施，從環(huán)節(jié)4.1后開始執(zhí)行。

如遇到開始時刻兩星相位差待漂移量本身不大但持續(xù)增大的情況，可以考慮增加措施將趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)闇p小。

等待至首個窗口A，向上調(diào)整01軌道至與02星相同或稍高于02星，具體超調(diào)量視情況而定，保證漂移量停止即可。

后續(xù)執(zhí)行方案二。

逆向漂移機動和流程2中的首次機動應(yīng)同為01星，在實施時可視情況合并成一次。

環(huán)節(jié)5：方案評估

流程內(nèi)部并行計算得出兩套方案，需對兩套方案進行評估。

在合理漂移時間范圍內(nèi)，優(yōu)先選取時間短的方案作為最佳方案輸出。評估過程亦便于人工進行，綜合評判方案所需的漂移時間、燃料、軌道高度和其它總體需求后，明確選用的方案。

若無可行方案，調(diào)整主流程的設(shè)置條件或其它工程約束，重新執(zhí)行主流程，直至得出可行方案。

以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。