一種發(fā)射觀測衛(wèi)星到凍結(jié)軌道的偏心率控制方法
【專利摘要】一種發(fā)射觀測衛(wèi)星到凍結(jié)軌道的偏心率控制方法，針對觀測衛(wèi)星的發(fā)動機(jī)配置特性，首先設(shè)計(jì)了衛(wèi)星的初始入軌軌道，以避免180°的姿態(tài)機(jī)動和減速機(jī)動，提高了衛(wèi)星發(fā)射過程中的安全系數(shù)，減少了發(fā)射過程中的燃料消耗。衛(wèi)星發(fā)射進(jìn)入初始入軌軌道后，為保證后續(xù)的軌道機(jī)動中不出現(xiàn)減速機(jī)動，又給出了初始入軌軌道到凍結(jié)軌道偏心控制律和半長軸控制之間的約束條件；同時為了降低軌道機(jī)動的時間，給偏心率控制還額外施加了新的約束條件。最后根據(jù)半長軸控制律和同時滿足兩個約束條件的偏心率控制律設(shè)計(jì)了從初始入軌軌道到凍結(jié)軌道的軌道機(jī)動控制策略，降低了軌道轉(zhuǎn)移的控制時間，減小了控制時間過長導(dǎo)致的軌道降交點(diǎn)漂移的問題，提高了發(fā)射效率。
【專利說明】
-種發(fā)射觀測衛(wèi)星到凍結(jié)軌道的偏心率控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于衛(wèi)星軌道控制技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種將觀測衛(wèi)星發(fā)射至凍結(jié)軌道的方 法，特別適用于配置+X方向推力發(fā)動機(jī)的觀測衛(wèi)星。
【背景技術(shù)】
[0002] 凍結(jié)軌道的應(yīng)用起始于上世紀(jì)八九十年代，隨著對地觀測衛(wèi)星的技術(shù)不斷發(fā)展。 凍結(jié)軌道由于其保持衛(wèi)星地面高度在同一地區(qū)幾乎不變，因此在對地觀測衛(wèi)星中有很強(qiáng)的 優(yōu)越性。對于對地觀測衛(wèi)星，首選軌道為凍結(jié)軌道，凍結(jié)軌道的發(fā)射入軌技術(shù)重要性由此而 得。如何更安全、更高效的將對地觀測衛(wèi)星送入預(yù)期的凍結(jié)軌道已經(jīng)成為未來重要的發(fā)展 方向。
[0003] 由于條件限制，對地觀測衛(wèi)星一般僅裝配一個推力沿速度方向（+X方向）的固定軌 控發(fā)動機(jī)。如圖1所示，xyz為衛(wèi)星的慣性主軸，其中X軸指向速度方向，Z軸指向地屯、，y軸與X 軸、Z軸組成右手坐標(biāo)系。圖中，XiYiZi為地球慣性坐標(biāo)系的=軸，Xi軸指向春分點(diǎn)，Zi軸指向 地球北極，Yi軸與Xi軸、Zi軸組成右手坐標(biāo)系。如果軌道控制存在加速和減速脈沖時，那么在 進(jìn)行加減速切換時衛(wèi)星需要進(jìn)行180°的姿態(tài)機(jī)動，運(yùn)樣會大大降低衛(wèi)星的安全系數(shù)。
[0004] -般發(fā)射觀測衛(wèi)星的步驟為：（1)將衛(wèi)星發(fā)射到的近凍結(jié)軌道的軌道(初始進(jìn)入軌 道）；（2)衛(wèi)星從初始進(jìn)入軌道自行機(jī)動到預(yù)定的凍結(jié)軌道。在衛(wèi)星機(jī)動過程中，由于安全的 需要，衛(wèi)星應(yīng)盡量避免加速脈沖和減速脈沖共存。結(jié)合節(jié)約燃料的要求，在發(fā)射觀測衛(wèi)星過 程中一般采用初始軌道半長軸負(fù)偏置得方法。但為保證軌道機(jī)動過程中不出現(xiàn)減速機(jī)動， 對初始軌道的約束條件不僅需要半長軸負(fù)偏置。其次，現(xiàn)有的從初始軌道到目標(biāo)凍結(jié)軌道 的機(jī)動策略耗時過長，軌道降交點(diǎn)的偏移大，對機(jī)動后的軌道影響較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種發(fā)射觀測衛(wèi)星到凍 結(jié)軌道的偏屯、率控制方法，可W避免180°的姿態(tài)機(jī)動和減速機(jī)動，減少了軌道機(jī)動所需的 時間，軌道機(jī)動可在一個周期內(nèi)完成，提高了衛(wèi)星入軌的效率和安全系數(shù)，并能夠準(zhǔn)確入 軌。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種發(fā)射觀測衛(wèi)星到凍結(jié)軌道的偏屯、率控制方法，包 括如下步驟：
[0007] (1)將觀測衛(wèi)星發(fā)射到初始軌道;所述的初始軌道相對于目標(biāo)凍結(jié)軌道為半長軸 負(fù)偏置，并且初始軌道與目標(biāo)凍結(jié)軌道的軌道參數(shù)滿足關(guān)系式
，其 中A曰日二a廣a日為目標(biāo)凍結(jié)軌道半長軸af和初始軌道半長軸a日的偏差，A Gx = GfCOS O f-e〇cos ?0、A Gy = GfSin O f-eosin W日為目標(biāo)凍結(jié)軌道和初始軌道的擬偏屯、率偏差，ef、e日分別為目 標(biāo)凍結(jié)軌道和初始軌道的偏屯、率矢量，《 f、《 0分別為目標(biāo)凍結(jié)軌道和初始軌道的締度幅 角；
[000引（2)在衛(wèi)星的一個軌道周期內(nèi)，通過施加 n組加速脈沖，每組脈沖均包含兩個速度 脈沖的方式，將觀測衛(wèi)星通過n次軌道機(jī)動從初始軌道送入目標(biāo)凍結(jié)軌道;其中第i次軌道 機(jī)動時的加速脈沖式
兩個速度脈沖的位置滿足關(guān)系式
巧個速度脈沖的大小滿足關(guān)系式：
其中，Aai, Aeix, Aeiy為每組加速脈沖產(chǎn)生的半長軸和偏屯、率的變化量，并且滿足關(guān)系式
[0009]
[0010]
[00川其中，V為衛(wèi)星的軌道速度。
[0012] 所述的加速脈沖之間的位置滿足關(guān)系式黃W,i，1《k《n，1《s《n，k聲S。所述的 A Bi= A ao/n。
[0013] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0014] (1)本發(fā)明方法中，對初始軌道的選取，充分考慮了始終加速機(jī)動的策略，設(shè)計(jì)了 軌道半長軸負(fù)偏置且偏屯、率滿足約束條件，使得初始軌道到目標(biāo)凍結(jié)軌道的機(jī)動不出現(xiàn)減 速機(jī)動，不僅避免了觀測衛(wèi)星180度的姿態(tài)機(jī)動，而且提高了衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動的安全性，并且 節(jié)約了燃料；
[0015] (2)衛(wèi)星進(jìn)入初始軌道后，本發(fā)明方法首先根據(jù)發(fā)動機(jī)的工作能力(速度脈沖的大 小限制），確定軌道半長軸的控制律，然后根據(jù)偏屯、率控制和半長軸控制的約束關(guān)系確定偏 屯、率控制的一般約束，此約束避免了減速機(jī)動;其次，為了速度脈沖可W在一個軌道周期內(nèi) 重組完成，偏屯、率的控制律的另外一個一般約束是需要使施加脈沖的位置不同；根據(jù)運(yùn)兩 個一般約束設(shè)計(jì)偏屯、率控制律;接著，根據(jù)半長軸控制律和偏屯、率控制律解算軌道機(jī)動的 策略，即每次軌道機(jī)動所需的速度脈沖的大小和施加位置，其中速度脈沖均為加速脈沖，且 施加位置互不相等。最后，根據(jù)施加脈沖的位置大小，相應(yīng)的重組軌道機(jī)動速度脈沖的順 序，所有的速度脈沖位置的范圍在一個軌道周期內(nèi)，因此排序后的機(jī)動脈沖序列就是需要 的可W在一個周期內(nèi)完成的從初始軌道到凍結(jié)軌道的軌道機(jī)動策略。此由偏屯、率的控制策 略的軌道機(jī)動策略，避免了減速機(jī)動，保證了軌道機(jī)動在一個周期內(nèi)完成，大大降低了軌道 機(jī)動的時間，提高了發(fā)射效率。
【附圖說明】
[0016] 圖1為對地觀測衛(wèi)星的慣性主軸及軌控發(fā)動機(jī)配置示意圖；
[0017] 圖2為本發(fā)明方法的流程框圖；
[0018] 圖3為本發(fā)明半長軸偏差和偏屯、率選取示意圖一；
[0019] 圖4為本發(fā)明半長軸偏差和偏屯、率選取示意圖二。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 本發(fā)明中衛(wèi)星初始進(jìn)入軌道采用的是半長軸負(fù)偏置，而且軌道參數(shù)相對凍結(jié)軌道 的軌道參數(shù)滿足全部為加速機(jī)動的條件。發(fā)明中采用圖解法描述衛(wèi)星的軌道機(jī)動和偏屯、率 控制的約束條件，W保證已完成的機(jī)動和后續(xù)的機(jī)動滿足全部為加速機(jī)動的條件。在偏屯、 率的約束條件下，設(shè)計(jì)了軌道機(jī)動策略，使得從初始進(jìn)入軌道機(jī)動到凍結(jié)軌道能夠在一個 軌道周期內(nèi)完成。由于本發(fā)明方法針對的是一般情況，因此其中的策略具有可擴(kuò)展性。
[0021] 如圖2所示，為本發(fā)明方法的流程圖，其中的主要幾個關(guān)鍵點(diǎn)如下：
[0022] 1、初始軌道約束
[0023] 在觀測衛(wèi)星發(fā)射進(jìn)入凍結(jié)軌道的過程中，運(yùn)載火箭發(fā)動機(jī)首先將觀測衛(wèi)星發(fā)射到 近凍結(jié)軌道的初始軌道，然后衛(wèi)星利用軌控發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)移到預(yù)定的凍結(jié)軌道。由于節(jié)約燃料 的要求，初始軌道設(shè)計(jì)為半長軸負(fù)偏置。從衛(wèi)星安全的角度，整個機(jī)動過程應(yīng)避免180°的姿 態(tài)機(jī)動，即發(fā)射后的初始軌道和預(yù)期的目標(biāo)凍結(jié)軌道之間的全部機(jī)動應(yīng)為加速機(jī)動。由此 得到初始軌道相對于目標(biāo)凍結(jié)軌道的半長軸和偏屯、率偏差之間的約束為：
。其中，A ao = af-ao為目標(biāo)凍結(jié)軌道半長軸af和初始軌道半 ^軸日日的偏差，A 二GfCOS W f-eocos w〇、A ey = efsinw f -eosin W日為目柄凍結(jié)軌道和初始 軌道的擬偏屯、率偏差，ef、eo分別為目標(biāo)凍結(jié)軌道和初始軌道的偏屯、率矢量，Of、《0分別為 目標(biāo)凍結(jié)軌道和初始軌道的締度幅角。
[0024] 2、凍結(jié)軌道控制律的約束
[0025] 為了保證已完成的軌道機(jī)動和后續(xù)的軌道機(jī)動中滿足全部為加速機(jī)動，凍結(jié)軌道 的軌道機(jī)動控制律需要滿足一定的約束。
[0026] 為了形象描述各組偏屯、率控制和半長軸控制的約束，下面Wn組脈沖為例說明，每 組脈沖均包含兩個速度脈沖，表示3
，每組脈沖中兩個速 度脈沖的位置滿足關(guān)系式
，每組脈沖中兩個速度脈沖的大小滿足關(guān)系式：
,其中，Aai, Aeix, Aeiy為每組機(jī)動脈 沖產(chǎn)生的半長軸和偏屯、率的變化量。
[0027] 假設(shè)衛(wèi)星的初始軌道的偏屯、率矢量為60,初始半長軸偏差為Aao,目標(biāo)凍結(jié)軌道的 偏屯、率為ef，則初始軌道和目標(biāo)凍結(jié)軌道之間的關(guān)系為：I A ao I >ao I I eo-ef I I。
[0028] 記第一組軌控后，衛(wèi)星軌道的偏屯、率矢量和半長軸為ei、ai，半長軸偏差為A ai，貝。 該組軌控前后的偏屯、率和半長軸應(yīng)滿足的約束為：I Aail >ao||ei-ef I I和I Aa日-AaiI >ao |e〇-ei||。其幾何含義如圖3所示：（1) Aai的選擇限定在楠圓1上；（2)ei的位置選擇必限定 在圓弧I和2的公共部分的內(nèi)部(或邊緣上）。其中，楠圓I定義為Weo和ef為焦點(diǎn)、到兩焦點(diǎn)距 罔為A ao/ao的楠圓上；圓弧1定義為Weo為圓屯、、W A ai為半徑的圓??；圓弧2定義為Wef為 圓屯、、如A ai-A ao巧半徑的圓弧。根據(jù)此原則，可W首先確定ei和A ai的限制范圍。
[0029] 第二組脈沖的改變量可W Wei和ef為焦點(diǎn)、到兩焦點(diǎn)距離為A ai/ao的楠圓，按照 上述方法進(jìn)行確定日2和Aas的限制范圍，如圖4所示所示：（I)Aas的選擇限定在楠圓2上； (2)62的位置選擇必限定在圓弧3和4的公共部分的內(nèi)部(或邊緣上）。圓弧3定義為Wei為圓 屯、、W Aas為半徑的圓弧；圓弧4定義為Wef為圓屯、、W I Aas-Aail為半徑的圓弧。根據(jù)此原 貝1J，可W確定62和Aas的限制范圍。相同的，之后的各組脈沖機(jī)動重復(fù)此過程。
[0030] W上介紹的為整個機(jī)動過程為加速機(jī)動的偏屯、率控制約束。實(shí)際上為了降低軌道 機(jī)動的時間，偏屯、率控制需要滿足的另一個約束，介紹如下：
[0031] 由于發(fā)動機(jī)工作時間的限制，每次速度脈沖的大小是受限的，整個軌道機(jī)動過程 一般由多組脈沖序列完成，為保證軌道機(jī)動過程在一個周期內(nèi)完成，偏屯、率控制的加速機(jī) 動約束條件下需要滿足另外一個約束：l《s《n，k聲S，即每組施加脈沖 的位置不相同，確保了能將運(yùn)n組(2n個)脈沖序列按照其作用位置進(jìn)行排列到一個軌道周 期內(nèi)，使得整個機(jī)動過程在一個軌道周期內(nèi)完成。
[0032] 3、軌道機(jī)動策略
[0033] 軌道機(jī)動策略，即軌道機(jī)動過程中每組速度脈沖的大小和施加位置 O \
/
[0034] Av),Av;2]是由（Aai, AeO決定的。其中，Aai是根據(jù)發(fā)動機(jī)執(zhí)行能力和任 務(wù)需求設(shè)計(jì)的（一般采取線性策略，即A ai= A ao/n)，而A ei = ei-ei-i(i = l ,2,L,n)，en = ef 是由步驟I和2確定的。.(《,1, W,2 ^的計(jì)算公式如下：
[0035]
[0036] 其中，Aeix、Aeiy分別為Aei沿x、y軸的分量。(Av,i，Av；")的計(jì)算公式如下：
[0037]
[0038] 其中，V為衛(wèi)星的軌道速度。
[0039] 由步驟2中的得到的偏屯、率控制律A Gi = ei-ei-i使得：
、
在計(jì)算得到(M>,2，Av'1，Av,2)后，將 運(yùn)n組(化個)脈沖序列（，Av;")按照其機(jī)動位置Ui的大小排序(按照大小排序巧Ij一個 軌道周期內(nèi)，保證了整個機(jī)動過程在一個軌道周期內(nèi)完成。
[0040] 本發(fā)明得到機(jī)動策略的一種情況為
(因?yàn)?br>所W運(yùn)里不用出現(xiàn)《,2 ;另外就是k和S僅只是脈沖組號，數(shù)學(xué)上一般用1 《Ks《n表示），則最終的軌道機(jī)動機(jī)動策略如下表。
[0041] 表1軌道機(jī)動策略
[0042]
[0043] 該表表示了重組之后的脈沖序列，也是實(shí)際的軌道機(jī)動策略，且整個軌道機(jī)動在 一個軌道周期的[^AVii，Av；；]范圍內(nèi)就完成了，相對于現(xiàn)有的需要多個軌道周期完成的策 略，大大減小了整個軌道機(jī)動時間。
[0044] 本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種發(fā)射觀測衛(wèi)星到凍結(jié)軌道的偏心率控制方法，其特征在于包括如下步驟： (1) 將觀測衛(wèi)星發(fā)射到初始軌道；所述的初始軌道相對干凍結(jié)軌道為半萇鈾傷偏 置，并且初始軌道與目標(biāo)凍結(jié)軌道的軌道參數(shù)滿足關(guān)系j其中Δ ao = af-ao為目標(biāo)凍結(jié)軌道半長軸af和初始軌道半長軸ao的偏差，八6\ = 6￡(：〇8〇￡-eocos ω 〇、Δ ey = efsin ω f-eosin ω Q為目標(biāo)凍結(jié)軌道和初始軌道的擬偏心率偏差，ef、eo分別 為目標(biāo)凍結(jié)軌道和初始軌道的偏心率矢量，ωf、ω 〇分別為目標(biāo)凍結(jié)軌道和初始軌道的煒度 幅角； (2) 在衛(wèi)星的一個軌道周期內(nèi)，通過施加 η組加速脈沖，每組脈沖均包含兩個速度脈沖 的方式，將觀測衛(wèi)星通過η次軌道機(jī)動從初始軌道送入目標(biāo)凍結(jié)軌道;其中第i次軌道機(jī)動 時的加速脈兩個速度脈沖的位置滿足關(guān)系式 < + 2·，兩個速度脈沖的大小滿足關(guān)系式：其 中，Aai, △ eix, △ eiy為每組加速脈沖產(chǎn)生的半長軸和偏心率的變化量，并且滿足關(guān)系式其中，V為衛(wèi)星的軌道速度。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種發(fā)射觀測衛(wèi)星到凍結(jié)軌道的偏心率控制方法，其特征在 于:所述的加速脈沖之間的位置滿足關(guān)系式>Kk<n，Ks<n，k乒s。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種發(fā)射觀測衛(wèi)星到凍結(jié)軌道的偏心率控制方法，其特征 在于：所述的Δ ai= Δ a〇/n。
【文檔編號】G06F17/50GK106021726SQ201610339746
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月19日
【發(fā)明人】徐 明, 王召輝, 林名培, 賈向華, 馬越辰, 付小宇
【申請人】北京航空航天大學(xué)